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    被遗忘的元素可以重新定义时间

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    • 太空探索
    • Lv.17蜂鸟
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      爱因斯坦

      很多事情可以在一秒钟内发生,你可以遇到一个陌生人,咬你的手指,坠入爱河,入睡,打喷嚏。但第二种情况是什么?它是否与我们认为的一样精确?现在,用来告诉全球时间的最精确时钟每3亿年就有1秒误差——所以,在恐龙时代开始计时的时钟将不会在今天一秒之内消失,但是科学家认为我们可以做得更好。发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一项新研究表明,他们正在寻找一种被忽视的稀土元素——镥,该元素在元素周期表的底部积聚起了灰尘。

      被遗忘的元素可以重新定义时间

      图片:Shutterstock

      在古代,一秒被定义为平均太阳日的一小部分(1/86400),地球绕其轴旋转24小时。但是地球的自转会有轻微的变化,所以科学家们决定停止扫描天空来校准我们的时钟和按比例缩小到原子水平,这是物质的无形的组成部分。1967年国际度量衡委员会(International Committee for Weights and Measures)定义了铯原子吸收足够的能量来激发能量的时间——也就是说,它的电子从一个能级跃迁到另一个能级。为了实现这一目标,原子必须精确地使用9192631770个周期的微波辐射。

      虽然这个数字看起来是随机的,但它来自于测量微波的频率,以使铯原子在早期的定义中达到1秒的平均值。据《科学美国人》报道,这些测量数据历时近3年。目前,数以百计的铯原子钟负责保持全球时间和控制GPS导航。但在过去的十年中,又出现了另一代原子钟,被称为“光学钟”,它们的精确度是铯的100倍。新时钟的工作原理与铯原子钟完全相同,只不过它们使用的是铝或镱等原子,它们会因可见光的高频(因此得名“光学”)而不是较慢的微波而兴奋。这种更高的频率增加了更多的数据指向“秒”的定义,使测量更加精确。

      新加坡国立大学(National University of Singapore)的副教授、这项新研究的主要作者默里巴雷特(Murray Barrett)说:要理解这一点,可以想象一下不同类型的钟是一对尺子。如果旧的“铯”尺子测量一条长20厘米(7.9英寸)的线,那么“光学”标尺就可以测量这条线,比如200毫米。虽然光学时钟非常精确,让它们运行很长一段时间,并且在它们的环境中保持稳定是有问题的,一个房间的温度可以改变原子上的电磁场,进而影响时间的测量。所以铯钟在实现上仍然比(新的)光学时钟更可靠。

      制造不那么灵敏的原子钟

      在他们的新研究中,巴雷特和他的研究小组发现,与其他用于光学时钟的元素相比,镥离子对环境温度的变化不那么敏感,这使得它成为一个强有力的候选人,可以作为时间的主人。研究小组发现,镥原子还能帮助弥补另一个影响时间测量的问题。由于这些时钟所使用的原子是带电的,它们会在波(可见光、微波等)所产生的电磁场的响应中来回摆动,这可能会影响时间的测量。科学家称这种快速向后和向前移动为“微移”。因为科学家必须对这种转变进行补偿,所以要研制出一种以上的原子钟是非常困难的,这将使这种钟更加实用。

      被遗忘的元素可以重新定义时间

      研究人员约翰·p·洛(John P. Lowe)、罗伯特·e·德鲁林格(Robert E. Drullinger)和项目负责人戴维·j·格雷(David J. Glaze)(从左到右)站在一个名为“NIST-7”的铯原子钟旁边。这个时钟由美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)负责,从1993年到1999年,负责美国的时间,但后来被更精确的铯钟取代。图片:National Institute of Standards and Technology

      但研究小组发现,可以在某种类型的镥离子中使用一种自然属性,以抵消这些“微转移”。巴黎天文台的物理学家Jerome Lodewyck说:然而,这是有代价的:这些原子对房间的温度变得更加敏感,这种权衡可能会限制新发现的影响,而原子镥可能不会成为“真正的游戏规则改变者”。但是,这一“高质量的工作”将另一种可能的原子物种添加到一长串的计时员候选名单中,这是一种“计量学家的财富”,用来比较不同的时钟。

      超越时间

      尽管巴雷特说,镥“非常有希望”,但他并不认为用光学时钟来重新定义第二种方法是一件很困难的事情,因为铯钟在让我们到达需要的地方时做得很好。但是,高度精密的光学时钟可能会允许新的应用程序“用我们现有的技术根本不可能实现。例如,根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论,时钟对它们在世界上的位置很敏感,因为时间被引力扭曲了。现在,地球上的原子钟无法探测到由于地球引力而产生的微小的时间扭曲。但是,如果研究人员能够在世界各地放置高度精确的光学时钟,这一设置将有助于研究人员绘制出地球的引力场。

      进一步说,高度精确的原子钟能够探测到我们可能还看不到的物质和能量。这可能包括暗物质,它会产生引力,但不会与普通的光和暗能量相互作用,而暗能量似乎正在加速宇宙的膨胀。这就是它的工作原理:如果知道在一秒钟内激活某些原子所需的频率,就可以利用世界各地的各种时钟来检测出超出通常预期的任何差异。“有一些理论认为暗物质就在我们周围,所以如果我们穿过一大块暗物质,这将扰乱时钟。现在甚至可能有我们想不到的应用程序,当我们开始为船舶导航开发时钟的时候,我们从来没有想象过有人能够四处走动,确切地知道他们在一个大城市里的位置。

      博科园-科学科普|文:Yasemin Saplakoglu/Live Science

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    • Lv.26卡普坦星
      VIP6博科园 VIP
      飞越地球
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      头像我脑补的是仰望星空的猫猫

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      Lv.19双腔龙
      欧拉
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      Lv.11巨型病毒
      高斯
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      虽然我玩事不恭的态度你无法理解,但我执着的目标不会改变。

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