新型原子鐘：精確計時器

朱崇愷

自從人類開始追蹤時間的流逝以來，計時設備的精度就在不斷提高。今天，原子鐘的振動是科學家可以觀察到的穩定的周期性事件，因此世界上目前最精確的計時器就是原子鐘，這種精美的儀器使用激光來測量原子的振動。如果原子鐘從宇宙誕生之初就一直在運轉，到今天為止累計的誤差也只有半秒。如果能有更準確的計時方法，那么可以幫助人類檢測諸如暗物質和引力波之類的現象，科學家還可以開始回答一些令人費解的問題，例如重力對時間的流逝可能產生什么影響，以及時間本身是否隨著宇宙的老化而改變。

如今，美國麻省理工學院物理學家設計了一種新型原子鐘。和之前的設計不同，它測量的不是隨機振蕩的原子云，而是已經被量子糾纏的多個原子。為了保持完美的時間，時鐘最好跟蹤單個原子的振蕩。但是原子是如此之小，以至于它按照量子力學的神秘規則行事：當被測量時，它的行為就像拋一枚硬幣，只有在多次翻轉中取平均值才能給出正確的概率。所以傳統的原子鐘被設計用來測量由成千上萬種相同類型的原子組成的氣體，以便估算其平均振蕩。

在量子力學里，當幾個粒子在彼此相互作用后，由于各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，則稱這一現象為量子糾纏。研究小組認為，如果原子被糾纏，它們的振蕩將在一個共同的頻率附近收緊，與不被糾纏相比，偏差更小。因此，新設計的原子鐘將350個鐿原子糾纏在一起，可以測量的平均振蕩，比沒有糾纏的時鐘高四倍。

原子被捕獲在由兩個反射鏡組成的光學腔中，當通過腔設置“擠壓”激光器時，原子會糾纏在一起，然后使用第二個激光器測量其頻率，以此作為更精確的原子鐘