与其他基本单位（比如千克、米）相比，时间的基本单位——秒是定义最为精确的测量单位。目前，国际公认的协调世界时（UTC）是由原子钟记录的。利用无线电波，原子钟不断地发送信号，使电脑、手机、手表等设备上的时间保持同步。可以说，原子钟是世界上最精确的计时工具。
尽管原子钟如此精确，但在一项新发表于《自然·通讯》杂志的研究中，一组物理学家提出原子钟的精确度有可能被进一步提升。他们利用所谓的超辐射原子，发展了一种新的、有助于更精确地测量时间的方法，减轻了现有的、最先进的原子钟的一些局限。
原子钟的局限
计时的精确度与稳定的周期性振荡有关。以落地式的摆钟为例，一秒的长度是由摆的一次摆动决定的。而在原子钟中，激光束的振荡可以激发原子每秒振荡近百亿次。
目前，大多数原子钟用来读取原子振荡的激光，实则会加热原子，导致原子逃逸。因此，这些原子需要持续地被新原子取代。这样的过程会降低原子钟计时的精确度。
为了应对这一问题带来的挑战，世界各地的许多科学家都在试图找到能缓解这种问题的方法，比如他们试图重复地使用原子，来避免经常性地更换原子。
超辐射和冷却到绝对零度
在新的研究中，研究人员利用一个二级磁光阱（MOT）将大量锶原子冷却到接近绝对零度的低温状态。这些原子悬浮在一个真空室。在真空室的两端分别存在两个反射镜，原子之间的相互作用可以通过反射镜之间的一个光场而增强。
中间发光的球被称为“磁光阱”（MOT），其中包含数亿个锶原子悬浮在被冷却到接近绝对零度的真空室中。（图/Eliot Bohr）
当一组锶原子纠缠在一起，并且在两个反射镜之间的场中发射光时，就会发生所谓的超辐射现象。
要理解什么是超辐射，我们可以把原子想象成一个微小的、可以在适当的条件下可以发射光的天线。想象有一个N个原子的集合，这些原子彼此远离，并受到热激发，因此它们会相互独立地发射光，这些光的强度则正比于原子的数量。
但是，假如这些原子的位置非常接近，那么这些原子天线就会开始相互“交流”，然后彼此同步，进而发出其强度正比于原子数量的平方的光。在这种情况下，原子就像形成了一个巨大的天线，可以更有效地发射光。因此，原子释放能量的速度比独立的原子快N倍。这种效应就被称为“超辐射”。
正是因为这种奇异的量子物理现象，研究人员发展出了一种无需用激光加热原子，就能读取原子状态的新方法。
简单来说，在新研究中，反射镜可以使这些锶原子表现为一个整体，它们可以集体性地发出强大的光信号。这些信号可以被用于读取原子的状态，这是测量时间的关键一步。这种方法对原子的加热最小，因此无需“更换原子”，进而有助于更精确地测量时间。
应用潜能
研究人员表示，虽然这种利用超辐射原子的新方法仍然是一个需要进一步完善的概念，但却有着光明的应用前景。
例如，原子钟的精度对于GPS的准确定位非常重要，如果原子钟出现了一微秒的误差，就会造成在地球表面上的定位出现约100米的误差。而这一新的结果就有望帮助开发更精确的GPS系统。
此外，由于原子钟对引力变化很敏感，因此它可以被用来探测地球质量和引力的变化，这可以帮助我们预测火山爆发和地震的发生时间。不仅如此，研究人员表示，新的结果还可能有助于开发新一代更小、更便携的原子钟。
#创作团队：
编译：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.ku.dk/all_news/2024/04/superradiant-atoms-could-push-the-boundaries-of-how-precisely-time-can-be-measured/
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45420-x
#图片来源：
封面图&首图：Eliot Bohr