地球最准的表，运行300亿年误差不到1秒，光学晶格钟到底是什么？
引力波
导读：2021年9月9日，2022年基础物理学突破奖被授予华人科学家叶军和日本科学家香取秀俊（Hidetoshi Katori），以表彰他们对光学晶格钟发明和发展过程中做出的杰出贡献，他们发明的光学晶格钟精度可达到运行300亿年误差不到1秒，那么什么是光学晶格钟呢？用这么精准的时钟干什么呢？
华人科学家叶军（左）和日本科学家香取秀俊（右）
时间是宇宙的基本属性之一，自从人类灵智初开，就开始关于时间的思考：时间是什么？如何准确地记录时间？
公元前1250年，尼罗河畔的古埃及人就已经将白天和黑夜分成12个小时，记录时间的流逝，观测星辰运转。
2013年在埃及出土的计时器
公元1090年，我国天文学家苏松历时三年，建成以水力驱动的水运仪像平台，成为世界上最早的天文钟。
水运仪像平台
十五世纪末，随着地理大发现，远洋航行要求进一步提高时间测量的精准度，于是航海钟应运而生，人类的科技开始喷薄式发展。
公元1670年，伽利略发现单摆的摆动周期随着时间流逝保持不变，物理学家惠更斯利用利用单摆原理制成世界上第一台机械钟。
几个世纪以来，一秒被定义为一天的1/86400,但是由于气候和地质过程以及潮汐摩擦，一天的长度略有不同，随之而来是时钟的误差越来越大。
1967年，随着人类对原子世界的探索，科学家发现同一种原子的共振频率是一定的，因此一秒被定义为铯133原子 9 192 631770次振动的持续时间。原子钟应运而生，精度可达到每2000万年才误差1秒。
但是科学家仍不止步于此。2017年10月16日，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波；2019年4月10日，人类获得第一张黑洞的照片，随着人类对宇宙深入探索，时间作为宇宙的基本属性之一，就需要更精准地测量，才能捕捉到时空中泛起的涟漪。
第一张黑洞照片
于是光学晶格钟诞生了！
光学晶格钟超越传统原子钟的运行方式，将计时精度提高1000倍，精度可达到运行300亿年误差不到1秒，足足是宇宙年龄的两倍多。
众所周知，原子由原子核和核外电子组成，而核外电子处于不同的能量层，当电子吸收或释放能量时，就会发生跃迁，释放电磁波，原子钟便是将电子跃迁时辐射电磁波的频率作为一种节拍器来计时。但是光学转变发生的频率比微波转变的频率范围高10万倍，更高的频率意味着更高的计时精度，基础此原理，科学家设计出以高频不可见光波为计时器的光学晶格钟！
当进入原子的高频状态，科学家面临的第一个问题是如何测量这些高频振动的原子？科学家利用的是激光产生的驻波，制造出一种光学陷阱，将原子囚禁在光学陷阱中，形成类似于固体物理中的“晶体结构”的光学晶格。然后，原子就可以被激光激发成一个受约束的电子跃迁,通过激光荧光探测,形成时钟的“滴答"。
光学晶格
大多数的光学晶格时钟使用原子的一维阵列，想要提高进一步提高时钟的精度以及稳定性就必须加强晶格中的原子数。但是,随着构成时钟的原子数量的增加,原子本身之间的相互作用会加强，可能导致信号的频移,从而降低时钟的整体精度。
为了解决这个矛盾，叶军团队创造性地将晶格的几何形状从一维拓展为三维，使三维状态下的光学晶格时钟能够利用简并费米气体的性质，降低晶格中单个原子的相互作用。随着原子相互作用的逐渐变弱,时钟中的原子密度可以增加,从而使光学晶格时钟实现稳定性提高几个数量级。正是因为此贡献，叶军赢得基础物理学突破奖。
原子结构
光学晶格时钟有什么用？
就现实用途而言，光学晶格时钟可以大大提高全球定位系统和其他卫星导航网络的准确性，更精确地引导深空探测器，让太空中的飞船不会发生星际迷航。
但是这种高精度的时钟，更大的用途将是帮助科学家探索宇宙的本质。根据爱因斯坦的相对论，引力会弯曲空间和时间。因此，珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒，想要精确测定如此小的时间差，唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来驱动计时钟测量。
中子星合并产生引力波
不仅如此，时空之中，只要有引力的波动，就会引起的微小时间变化，光学晶格时钟只要捕捉到这些微小的时间变化，就能捕捉到引力波的产生。
其次，光学晶格钟可以帮助科学家寻找暗物质。暗物质是当今宇宙中最难以捉摸的东西之一，虽然科学家发现宇宙中遍布暗物质，但是科学家无法观测，无法捕捉到这种物质，但是暗物质必须以某种方式与普通物质相互作用。因此，科学家希望能够看到地球上的普通物质中可能含有暗物质的特征，哪怕是非常微弱。当暗物质经过时，时钟有可能减慢或加速，科学家希望光学晶格时钟捕捉到这种变化。
拓展阅读：
科学突破奖 (Breakthrough Prize) 被誉为“科学界的奥斯卡”，旨在表彰全球顶尖物理、数学和生命科学家的研究成果，单项奖金高达300万美元，远超诺贝尔奖，堪称科学界“第一巨奖”。 2012年由俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳夫妇设立，现由谷歌联合创始人谢尔盖·布林、脸书联合创始人马克·扎克伯格夫妇、腾讯公司联合创始人马化腾、尤里·米尔纳夫妇等知名实业家赞助。
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