2022年度科學(xué)突破獎(jiǎng)公布：基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)促進(jìn)光學(xué)晶格原子鐘發(fā)展

近日，2022年度科學(xué)突破獎(jiǎng)（Breakthrough Prize）公布獲獎(jiǎng)名單。今年的基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)由東京大學(xué)的Katori Hidetoshi和科羅拉多大學(xué)的Jun Ye獲得。他們的研究為光學(xué)晶格原子鐘的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 

光鐘以光頻率運(yùn)行，光頻率是電磁波譜上可見光的頻率。另一方面，原子鐘測量原子的微波頻率。更高的頻率會(huì)讓鐘表的計(jì)時(shí)更加精確。 
 
光學(xué)鐘和原子鐘都非常精確。原子鐘非常精確，大約每 1 億年就會(huì)縮短一秒；作為參考，石英鐘平均每兩年會(huì)減少一秒。另一方面，而這兩位科學(xué)家發(fā)明的光學(xué)晶格鐘每150億年才會(huì)減少一秒，使其成為世界上最準(zhǔn)確的時(shí)鐘。 
 
150億年也恰好是宇宙的大致年齡，所以如果在宇宙大爆炸那一刻這個(gè)鐘就誕生的話，它只會(huì)比今天的時(shí)間晚一秒。  通過激光，研究人員將鍶原子冷卻到略高于絕對零值，然后這些原子被困在稱為光學(xué)晶格的激光網(wǎng)格中（時(shí)鐘的名稱由此而來）。目前，國際制秒（SI 秒）就是使用銫原子定義的，但研究人員正在考慮用鍶代替銫來創(chuàng)建新標(biāo)準(zhǔn)。 
 
擁有世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)儀器不僅非常有用，而且還可以讓研究人員了解宇宙的基本方面。葉實(shí)驗(yàn)室的研究人員觀察到，當(dāng)時(shí)鐘向地面移動(dòng)幾厘米時(shí)，時(shí)鐘測量的時(shí)間會(huì)變慢。這與愛因斯坦著名的相對論是一致的。 
 
光學(xué)晶格鐘還將對天體物理學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生天文效應(yīng)。例如，能夠精確同步世界各地天文臺的時(shí)鐘將使研究人員能夠?qū)诙催M(jìn)行更準(zhǔn)確的測量，從而使我們能夠更好地了解它們。根據(jù)愛因斯坦的相對論，當(dāng)接近大質(zhì)量物體時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢。由光學(xué)鐘測量的輕微時(shí)間變化可以告訴我們固體巖石下是否有熔巖、沙漠下有多少水或海洋的大致深度。 
 
像許多新發(fā)現(xiàn)一樣，這項(xiàng)技術(shù)只存在于實(shí)驗(yàn)室中，所以葉的下一步是弄清楚如何使其便攜，以便任何地方的科學(xué)家都可以使用他的時(shí)鐘。