引力波
導(dǎo)讀：2021年9月9日，2022年基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)被授予華人科學(xué)家葉軍和日本科學(xué)家香取秀?。℉idetoshi Katori），以表彰他們對(duì)光學(xué)晶格鐘發(fā)明和發(fā)展過(guò)程中做出的杰出貢獻(xiàn)，他們發(fā)明的光學(xué)晶格鐘精度可達(dá)到運(yùn)行300億年誤差不到1秒，那么什么是光學(xué)晶格鐘呢？用這么精準(zhǔn)的時(shí)鐘干什么呢？
華人科學(xué)家葉軍（左）和日本科學(xué)家香取秀俊（右）
時(shí)間是宇宙的基本屬性之一，自從人類靈智初開(kāi)，就開(kāi)始關(guān)于時(shí)間的思考：時(shí)間是什么？如何準(zhǔn)確地記錄時(shí)間？
公元前1250年，尼羅河畔的古埃及人就已經(jīng)將白天和黑夜分成12個(gè)小時(shí)，記錄時(shí)間的流逝，觀測(cè)星辰運(yùn)轉(zhuǎn)。
2013年在埃及出土的計(jì)時(shí)器
公元1090年，我國(guó)天文學(xué)家蘇松歷時(shí)三年，建成以水力驅(qū)動(dòng)的水運(yùn)儀像平臺(tái)，成為世界上最早的天文鐘。
水運(yùn)儀像平臺(tái)
十五世紀(jì)末，隨著地理大發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)洋航行要求進(jìn)一步提高時(shí)間測(cè)量的精準(zhǔn)度，于是航海鐘應(yīng)運(yùn)而生，人類的科技開(kāi)始噴薄式發(fā)展。
公元1670年，伽利略發(fā)現(xiàn)單擺的擺動(dòng)周期隨著時(shí)間流逝保持不變，物理學(xué)家惠更斯利用利用單擺原理制成世界上第一臺(tái)機(jī)械鐘。
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，一秒被定義為一天的1/86400,但是由于氣候和地質(zhì)過(guò)程以及潮汐摩擦，一天的長(zhǎng)度略有不同，隨之而來(lái)是時(shí)鐘的誤差越來(lái)越大。
1967年，隨著人類對(duì)原子世界的探索，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)同一種原子的共振頻率是一定的，因此一秒被定義為銫133原子 9 192 631770次振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。原子鐘應(yīng)運(yùn)而生，精度可達(dá)到每2000萬(wàn)年才誤差1秒。
但是科學(xué)家仍不止步于此。2017年10月16日，人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波；2019年4月10日，人類獲得第一張黑洞的照片，隨著人類對(duì)宇宙深入探索，時(shí)間作為宇宙的基本屬性之一，就需要更精準(zhǔn)地測(cè)量，才能捕捉到時(shí)空中泛起的漣漪。
第一張黑洞照片
于是光學(xué)晶格鐘誕生了！
光學(xué)晶格鐘超越傳統(tǒng)原子鐘的運(yùn)行方式，將計(jì)時(shí)精度提高1000倍，精度可達(dá)到運(yùn)行300億年誤差不到1秒，足足是宇宙年齡的兩倍多。
眾所周知，原子由原子核和核外電子組成，而核外電子處于不同的能量層，當(dāng)電子吸收或釋放能量時(shí)，就會(huì)發(fā)生躍遷，釋放電磁波，原子鐘便是將電子躍遷時(shí)輻射電磁波的頻率作為一種節(jié)拍器來(lái)計(jì)時(shí)。但是光學(xué)轉(zhuǎn)變發(fā)生的頻率比微波轉(zhuǎn)變的頻率范圍高10萬(wàn)倍，更高的頻率意味著更高的計(jì)時(shí)精度，基礎(chǔ)此原理，科學(xué)家設(shè)計(jì)出以高頻不可見(jiàn)光波為計(jì)時(shí)器的光學(xué)晶格鐘！
當(dāng)進(jìn)入原子的高頻狀態(tài)，科學(xué)家面臨的第一個(gè)問(wèn)題是如何測(cè)量這些高頻振動(dòng)的原子？科學(xué)家利用的是激光產(chǎn)生的駐波，制造出一種光學(xué)陷阱，將原子囚禁在光學(xué)陷阱中，形成類似于固體物理中的“晶體結(jié)構(gòu)”的光學(xué)晶格。然后，原子就可以被激光激發(fā)成一個(gè)受約束的電子躍遷,通過(guò)激光熒光探測(cè),形成時(shí)鐘的“滴答"。
光學(xué)晶格
大多數(shù)的光學(xué)晶格時(shí)鐘使用原子的一維陣列，想要提高進(jìn)一步提高時(shí)鐘的精度以及穩(wěn)定性就必須加強(qiáng)晶格中的原子數(shù)。但是,隨著構(gòu)成時(shí)鐘的原子數(shù)量的增加,原子本身之間的相互作用會(huì)加強(qiáng)，可能導(dǎo)致信號(hào)的頻移,從而降低時(shí)鐘的整體精度。
為了解決這個(gè)矛盾，葉軍團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將晶格的幾何形狀從一維拓展為三維，使三維狀態(tài)下的光學(xué)晶格時(shí)鐘能夠利用簡(jiǎn)并費(fèi)米氣體的性質(zhì)，降低晶格中單個(gè)原子的相互作用。隨著原子相互作用的逐漸變?nèi)?時(shí)鐘中的原子密度可以增加,從而使光學(xué)晶格時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。正是因?yàn)榇素暙I(xiàn)，葉軍贏得基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)。
原子結(jié)構(gòu)
光學(xué)晶格時(shí)鐘有什么用？
就現(xiàn)實(shí)用途而言，光學(xué)晶格時(shí)鐘可以大大提高全球定位系統(tǒng)和其他衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性，更精確地引導(dǎo)深空探測(cè)器，讓太空中的飛船不會(huì)發(fā)生星際迷航。
但是這種高精度的時(shí)鐘，更大的用途將是幫助科學(xué)家探索宇宙的本質(zhì)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，引力會(huì)彎曲空間和時(shí)間。因此，珠穆朗瑪峰頂部的一個(gè)時(shí)鐘，比海平面處完全相同的一個(gè)時(shí)鐘平均每天快三千萬(wàn)分之一秒，想要精確測(cè)定如此小的時(shí)間差，唯一辦法只能是通過(guò)原子本身的微小振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)鐘測(cè)量。
中子星合并產(chǎn)生引力波
不僅如此，時(shí)空之中，只要有引力的波動(dòng)，就會(huì)引起的微小時(shí)間變化，光學(xué)晶格時(shí)鐘只要捕捉到這些微小的時(shí)間變化，就能捕捉到引力波的產(chǎn)生。
其次，光學(xué)晶格鐘可以幫助科學(xué)家尋找暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是當(dāng)今宇宙中最難以捉摸的東西之一，雖然科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中遍布暗物質(zhì)，但是科學(xué)家無(wú)法觀測(cè)，無(wú)法捕捉到這種物質(zhì)，但是暗物質(zhì)必須以某種方式與普通物質(zhì)相互作用。因此，科學(xué)家希望能夠看到地球上的普通物質(zhì)中可能含有暗物質(zhì)的特征，哪怕是非常微弱。當(dāng)暗物質(zhì)經(jīng)過(guò)時(shí)，時(shí)鐘有可能減慢或加速，科學(xué)家希望光學(xué)晶格時(shí)鐘捕捉到這種變化。
拓展閱讀：
科學(xué)突破獎(jiǎng) (Breakthrough Prize) 被譽(yù)為“科學(xué)界的奧斯卡”，旨在表彰全球頂尖物理、數(shù)學(xué)和生命科學(xué)家的研究成果，單項(xiàng)獎(jiǎng)金高達(dá)300萬(wàn)美元，遠(yuǎn)超諾貝爾獎(jiǎng)，堪稱科學(xué)界“第一巨獎(jiǎng)”。 2012年由俄羅斯億萬(wàn)富翁尤里·米爾納夫婦設(shè)立，現(xiàn)由谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人謝爾蓋·布林、臉書(shū)聯(lián)合創(chuàng)始人馬克·扎克伯格夫婦、騰訊公司聯(lián)合創(chuàng)始人馬化騰、尤里·米爾納夫婦等知名實(shí)業(yè)家贊助。
