原子钟与惊人的准确性相比

原子钟的显着准确性使其成为计时和其他精度测量的绝佳仪器。本质上写作，巨石原子钟光网络（培根）合作1报告了科罗拉多州博尔德的三个世界领先时钟的极其准确的比较，位于美国国家标准与技术（NIST）和Jila研究所的吉尔达研究所。作者展示了他们的时钟比较如何为基础物理学提供洞察力，并代表重新定义国际单位系统（SI）中的第二次重新定义第二部分的实质性进展。

由当原子从一个能量状态变为另一个能量状态时发射或吸收的光频率确定的原子钟“勾选”。基于不同原子的时钟以不同的速率运行，术语“光学时钟”是指以光学频率运行的术语。世界上最佳光学钟中的三个是NIST的铝 - 离子和吉拉的锶钟。估计所有三个时钟的测量频率都是正确的，以在10 18或更好的2 - 4中的2部分或更好的2 - 4中的分数不确定度。这一级别的不确定性可能是原则上的不确定性可以让时钟保持时间，使它们能够得到那么准确地保持时间或者在宇宙的年龄上丢失不超过一秒钟。这种光学时钟比铯钟5更精确的100倍。

因此，需要在光学时钟频率方面重新定义SI第二的SI并远离基于铯的电流定义。但在可能的重新定义之前，科学家必须通过一系列时钟比较来建立对光学时钟的再现性的信心。这些比较的目标精度是1018中的部分的水平，以清楚地展示铯钟上的光学时钟的优越性。

通过使用称为飞秒频率梳理的仪器测量光学时钟频率的比率来执行时钟比较。到目前为止，基于不同原子6-11的光学时钟之间的最佳比较已经在1017中的部分。培根协作呈现出射频比率的测量，从而在1018中的零件水平上达到不确定性，带来了重新定义SI第二步更近。

这种频率比测量不是均值的，并且等同于确定从地球到月球到几纳米的距离。因此，需要卓越的护理来控制任何频率偏移源。作者将铝离子和镱钟与吉拉的锶和锶钟进行比较了几个月，以检查再现性并减少统计不确定性。他们发现，对于所有已知的效果，比率的日常变异略大于预期。该观察表明，存在未知效果，其本质上是难以量化的。尽管如此，作者开发了一个统计模型，以解释这些不确定性，并能够对总测量不确定性进行严格的评估。

培根协作使用了在光学时钟网络中的冗余元素来检查任何偏差源。特别是，作者用两种方式将时钟与NIST和JILA联系起来（图1）。它们使用了3.6公里的光纤链路 - 一种经过验证的和测试方法，用于在所需的不确定性水平处连接光学时钟之间的信号。并且，在他们认为是一个世界的首先，他们通过通过在NIST和JILA之间的空气沿着加入两个研究所的直线来使用1.5公里的自由空间的链接来使用1.5公里的“自由空间”链接。他们发现，除了在暴风雪期间无法从自由空间链路无法获得数据时，这两种类型的连接提供了类似的不确定性。

作者演示了高精度时钟可以通过自由空间链路连接，而无需光纤基础设施，这是令人兴奋的，因为它为实验室外的应用程序开辟了可能性，例如土地测量12.根据爱因斯坦的理论相对性，地球的重力导致原子钟的频率取决于其高度。因此，可以通过测量其频率的差异来确定两个远程时钟之间的高度差。在最新工作中实现的测量不确定性水平，时钟比较可以解决厘米大小的高度差异。因此，钟表可以为长期环境监测提供新的工具，例如，冰盖或海洋水平。

培根协作表明了时钟比较的另一个有趣的应用。作者使用了时钟频率比来搜索了原子和暗物质之间可能的相互作用的迹象 - 预计宇宙中大多数事情的难以考虑的难以捉摸的物质。根据目前的理解，原子不会通过电磁力与暗物质相互作用。但是，如果存在这些相互作用，它们会导致原子钟频率的微小变化。作者检测到他们的实验中没有这样的变化，但是效果仍然有用。结合以前的数据，发现显示，原子和特定类型的暗物质之间的任何电磁相互作用的最大强度比先前确定的几乎十倍。

光学时钟网络也可用于探索物理学的许多其他方面，因为它们的精确度允许在前所未有的分辨率下测量我们周围的世界。这种调查的例子包括测试Einstein在更严格的级别13中的相对论的相对论，并搜索物理常量值的可能变化8.无论应用程序如何重新定义SI秒，测量或基本物理 - 更好时钟比较，影响越大。随着技术问题的当前准确性限制，而不是基本限制，未来更好的测量的前景非常有前景。