便携式时钟为测量地球提供了新的标尺

在测量我们在地球上的位置时，我们倾向于转向全球定位卫星星座之一。对于标准的商用设备，绝对位置精度为几米，尽管可以通过更先进的技术将其降低到几厘米。但是在有些应用中，基于卫星的测量并不适合这项工作。幸运的是，地球提供了  自己的量尺：重力。

例如，如果您要测量火山的下沉和膨胀，那么非常需要几厘米的精度，并且如果没有一些专门的硬件，标准的GPS不够准确。为了解决这个问题，日本的研究人员提出并展示了人类历史上最昂贵的高度传感器。幸运的是，它具有附加功能：它将不断测试广义相对论。

准时发光

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，时钟在重力场中的滴答声变慢了一点。因此，如果一个时钟比另一个时钟高一厘米，它将加快速度。多少？并不是很多：时钟需要精确到几阿秒（10 ^-18 s）以能够检测出厘米的高度差。碰巧的是，光学晶格时钟可以达到这种精度。

但是，这些钟是稀有而精致的花朵。他们往往很少有名字，并受到那种按铅类型组织铅笔的人的照顾。将这些时钟之一拖到实验室之外的想法似乎很可笑。但这正是研究人员所做的。

为什么这么复杂？光学晶格时钟使用量子叠加状态随时间的变化来测量时间的进程。

让我们分解一下。原子中的电子具有一组占据的能量。以氢为例：它有一个电子，而该电子通常处于最低的能量状态。但是，可以使用更高的能量状态。如果我们提供能量，则电子可以吸收它并弹出到更高的能量状态。在稍后的某个时间点，它会通过释放能量回到最低能量状态。

电子同样可以忽略能量并保持最低能量状态。因此，如果我们提供一些能量，电子将同时进入既被激发又未被激发的状态。我们无法估量就无法知道。

这是一个叠加状态，我们用电子吸收能量并被激发的概率来描述。如果我们提供更多的能量，我们会增加机会。然而，这是量子力学，没有什么是简单的。如果我们继续提供能量，则机会将达到顶峰，然后衰减回零，然后以规则的周期再次增加。我们称这些拉比周期。

通过测量Rabi频率（即在一秒钟内完成了多少Rabi周期），我们还获得了时间进行速度的度量。

用光雕刻陷阱

整个过程非常酷。首先，将锶原子冷却至几微开尔文。冷原子被推入彼此相对传播的两个激光束中。激光束产生的电场相互作用。在某些地方，这些场会增加较高的值以发出非常明亮的光；在其他情况下，它们会取消（例如将+1和-1相加得到零），从而创建一个深色补丁。

锶原子漂移到黑暗区域，在那里被俘获。然后对激光进行调谐，使暗区缓慢移动，将原子传输到屏蔽空间（屏蔽热辐射）中。一旦进入屏蔽空间，原子将被进一步冷却，以使其处于陷阱的基态。这本质上意味着陷阱中原子的运动被最小化。

然后，研究人员用激光将锶包裹起来，使原子处于叠加状态。原子被运出屏蔽区域，在此测量它们发出的光量。如果激发激光器的频率恰好适合锶吸收能量，则所有锶原子都会发光。然后，此激光频率就成为我们对时间的度量（每单位时间的光周期数被反转以提供时间的进程）。

本田思域后面的许多盒子

为了实现所有这些目的，研究人员构建了一个系统，该系统具有六个高精度激光器，一组控制器以在适当的时间将激光分配到正确的位置以及所有磁场线圈等，以提供完全控制锶原子。该套件已减少到可容纳四个盒子，可以放下座位的情况下放在小型两厢车的后备箱中……尽管我怀疑研究人员会允许您用大众运输时钟。杂乱的电缆（光学和电气）连接了四个盒子。

研究人员表明，他们可以通过测量东京晴空塔的观测室高度（标称高度为450m）来运送时钟并进行测量。他们几乎将其测量结果与激光测距测量结果和GNSS测量结果进行了比较。据我所知，光钟能够测量到……的高度，研究人员实际上并没有提供这些信息。

引力引起的频率偏移为21.18Hz（激光频率超过400THz，因此这是非常精确的频率测量），对应于450m的预期频率。但是实际上并没有将其变成适当的高度变化。但是，频率测量的精度告诉我们，高度测量的精度在10cm左右，而其他技术的精度在1cm左右。

不管高度测量如何，他们看到的频率变化都是广义相对论所预测的，因此物理学仍然没有破裂。

我完全可以实现这一目标，这给我留下了最深刻的印象。拿起地球上最精密的机械之一，将其放在卡车的后方，将其拖到广播塔上的外部电梯上，并确保它不会损坏—简直太神奇了。这就是该论文的关键信息：具有亚秒级精度的坚固的光学时钟已经准备就绪，可以使用（即使它们不是很小的或低功耗的）。