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原子钟性能实现厘米级以下大地测量

DOI：10.1038/s41586-018-0738-2 期刊：Nature 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:21:01
摘要： 时间的流逝通过计算频率参考的振荡来追踪，例如地球自转或钟摆摆动。通过参照原子跃迁，频率（因而时间）的测量精度可以超过任何其他物理量，当前一代光学原子钟报告的分数量级性能低于10^-17水平1-5。然而相对论指出，时间的流逝并非绝对，而是受观察者参考系影响。因此时钟测量对相对速度、加速度和重力势具有敏感性。我们在此展示的本地光学钟测量超越了当前解释地球表面时空引力畸变的能力。在两台独立的镱光学晶格钟中，我们实现了三项时钟性能基础基准值的前所未有的数值：以时钟频率为单位，系统不确定度为1.4×10^-18，测量不稳定度为3.2×10^-19，以及通过十次盲法频率比对表征的可重复性（得出频率差[?7±(5)统计±(8)系统]×10^-19，其中"统计"和"系统"分别表示统计与系统不确定度）。虽然对重力势差异的敏感性可能降低时钟作为地面时间标准的性能，但这种灵敏度可转化为探测大地水准面的高精度工具5-9。在地球表面附近，1×10^-18量级的时钟比对能提供沿重力方向一厘米的分辨率，因此这些时钟的性能应能实现超越现有水平的测绘技术。这些光学钟还可用于探索地球物理现象10、探测引力波11、检验广义相对论12及寻找暗物质13-17。
作者： W. F. McGrew，X. Zhang，R. J. Fasano，S. A. Sch?ffer，K. Beloy，D. Nicolodi，R. C. Brown，N. Hinkley，G. Milani，M. Schioppo，T. H. Yoon，A. D. Ludlow
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

展示本地光学时钟测量技术，其精度超越当前对地球表面时空引力畸变的解释能力，并探索这些时钟在地测量学、地球物理现象、引力波探测、广义相对论验证及暗物质搜索方面的应用潜力。

研究成果

研究表明，光学晶格钟可实现10^-18量级的系统不确定度、测量不稳定性和复现性，从而支持超越当前技术水平的地球测量与基础物理研究。这些时钟可用于精确测定大地水准面、探索地球物理现象、探测引力波、检验广义相对论以及搜寻暗物质。

研究不足

该研究的局限性在于目前尚无法精确计算地球表面时空的引力畸变。将引力红移转换至地球时（TT）参考面所产生的不确定度远大于时钟间的总测量不确定度，从而限制了远程时钟比对的精度。

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