物理

用原子测量时间

Les dernières 钟表atomiques mesurent le temps avec une erreur inférieure à une seconde 对于trois milliards d'années. En orbite dès 2013, l'horloge atomique PHARAO testera la théorie 的a relativité 和我a dérive éventuelle des constantes fondamentales 的a physique.

克里斯多夫·所罗门 对于科学N°397

通过抬高最后一个ère née des 钟表atomiques, des physiciens amé来自科罗拉多州的大猩猩已经显示é qu'il était possible de dé检测相对论的影响é générale – le décalage des 钟表en fonction 的'altitude – dès 30 centimè很高。同时,在欧洲èle de vol 的'horloge spatiale 法老 正在处理'部件;他瞄准à tester la relativité générale au millionième prè具有超冷原子的à bord 的a Station spatiale 整型ernationale en 2013. Quel 在那儿e lien entre ces deux expériences ? À quoi servent les 钟表atomiques ? Quels sont leurs enjeux ? Pour le comprendre, revenons quelques millénaires en arrière.

曲ête 的a précision

自从'Antiquité,男人寻求é à测量时间或更长时间écisé时间间隔。他们'abord tournés vers les phénomènes naturels qui présentent une grande régularité例如地球绕太阳的自转,月亮绕地球的自转或地球自身的自转même 对于dé完成日历和é时间尺度。然后他们搜寻é à réaliser eux-mê我的乐器总是更公关écis 和我'沙漏是最古老的乐器之一é埃及人。但是,有必要等待découverte 的'Galil摆的等时性ée, au début des 安ées 1600,以及物理学家n的实现é荷兰克里斯蒂安·惠更斯一些é一百年后,这些乐器才开始à atteindre une précision 的'每天几十秒。

加利尔ée a observé摆的小振动是épendantes 的'运动范围和显着égulières, c'est-à-dire périodiques. En comptant le 姓bre d'摆的振荡,我们测量一个时间间隔,ré这样就使时钟变了。 p越多é周期短,更多élevé sera le 姓bre d'给定时间间隔内的振荡é, et plus précise sera la mesure.

période T du pendule 别épend que d'un petit 姓bre de 通过amè电线的长度 l 和我'accélération 的a pesanteur g : T = 2π(升/克)1/2。这个简单的公式显示了设备的局限性:如果电线的长度发生变化,à cause 的a température 通过 exemple, l'horloge perdra sa pré切口m也是ême si l'accélé重力变化率(例如,如果'on prend 的'altitude).

推é穿越航行的挑战éanique 和我a dé确定经度,也取决于两个国家的主权者所承诺的总和è以下按键,摆锤,手表mécaniques et chronomètres n'ont cessé de s'améliorer. Combattant l'influence né临时变化的辉煌érature et d'humidité关于其计时器的功能ètres, l'英国制表师约翰·哈里森(John Harrison)于1759年最终生产ès 40 安ées d'努力,一种手段é感觉到错误érieure à un dixiè我第二天。他的时机ètre,盟友écanique de précision à一个聪明的选择étaux, fut testé一艘英国船在海上'朴次茅斯-西印度群岛在不到三个月的时间内来回。在返回途中,秒表ètre embarqué少于五秒钟'écart avec ceux resté在地面上。哈里森ç这个专案的价格是40,000英镑,érable 对于l'époque !

percé下一位科学家是'invention 的'oscillateur à石英在1918年。ème périodique n'est plus un système mé礼貌,但领域électromagné基于属性的振荡刻度étés piézo-é石英电。振动米écanique石英晶体产生场électrique oscillant à une fréquence bien définie et bien plus élevée比钟摆的e(几百万'每秒振荡)。手表和振荡器à石英已经侵入了现代世界,并为大多数常见应用形成了足够稳定的时基。

但是,像钟摆一样,à un degré bien moindre, l'oscillateur à quartz présente des dérives en tempé划掉。为了驯化这些振荡器,物理学家不得不'idée de ré合并结合了属性的原子钟étés 的'oscillateur à石英和'atome. L'énergie d'原子被量化ée:只能取离散值ètes, déterminées由m的定律é控制微观对象行为的量子canique。 d级'é相应的能量à ces valeurs 别é不要闲逛é已删除(或更确切地说非常ès, trè很小!)。原子是通用的:c的原子ésium à Paris pré会闻到mêmes propriétés qu'un c的原子ésium à New York ou à Tokyo. Ce n'不是摆锤或振子à quartz, difficiles à réaliser à l'identique. L'idée est donc d'empêcher la dérive 的'oscillateur à石英锁– en asservissant – la fré在fr上振荡的频率équence caractéristique 的'原子,对应à la diffé两级之间的回归'énergie 通过ticuliers.

为此,我们发送一个d'空腔中的原子é soumise au champ électromagnétique produit 通过 l'oscillateur à石英。二级d'é考虑的原子能érés sont E1(基础)和 E2(兴奋é), séparés 通过 une énergie hν0,où ν0是fréquence et h la constante de Planck. Avant leur 通过age, les atomes sont dans l'état d'énergie E1;当fréquence 的'onde électromagnétique appliquée à la cavité est proche de ν0 ,les atomes sont portés dans l'état 排除ité E2. A détecteur compte le 姓bre d'atomes 排除ités当我们扫fréquence 的'onde autour de ν0:我们得到一个钟形曲线– dite courbe de résonance – centrée sur ν0,其宽度成反比à la durée d'interaction 的'波和原子。由ré蒙太奇,蒙太奇é电子锁zhéquence 的'onde sur la fréquence ν0的l'atome : le montage électronique vé不断证明équence 的'oscillateur à quartz 非常ès proche de ν0并更正它'é偏离这个价值 (见图2a).

钟表à césium:热原子,冷原子

首先ère 时钟à césium réalisé1955年,路易斯·埃森(Louis Essen)和杰克·帕里(Jack Parry)在英格兰实行了这一原则,élioré grâce à une méthode proposée由物理学家érican诺曼·拉姆西(Norman Ramsey)(他于1989年获得诺贝尔奖):'onde électromagnétique produite 通过 l'oscillateur à quartz est divisée en deux 通过ties, qui 整型eragissent chacune avec les atomes sur leur 通过cours. 这个double 相互作用entraîne des 整型erféd的精炼'd发射的信号越多étecteur que l'两次互动之间的时间间隔很大 (见图2b)。大号'erreur journalière de cette première 时钟à césium n'é以及0.000 01秒,远低于'erreur d'石英或最佳系统èmes mécaniques.

13e Conférence géné1967年的度量衡法则选择了'atome de cé钠给dé系统第二秒的当前完成ème 整型ernational d'unités : « La seconde 在那儿a durée de 9 192 631 770 pé相应的辐射暴乱à两个超精细水平之间的过渡'état é基础电子学ésium 133. » Depuis cette é时间,几千'horloges à cé中等商业été produites 对于de 姓breuses applications, dont le système de gé卫星跟踪 全球定位系统.

在début des 安é在1990年,激光冷却的原子使'进一步提高公关écision des 钟表à cés两个数量级。确实,à une tempé擦除一百万ème de degré au dessus du zé绝对ro,c的原子é中速为d'仅搅拌七毫米è每秒非常快,或者比30,000慢'à tempé环境擦除。他们可以être utilisé原子喷泉中的s'est-à-dire être projetés en l'air à la verticale à travers la cavité soumise à l'激发波,并通过m回落ême chemin (看见 数字3)。通过这个米é方法,我们获得与l的两次交互之间的时间间隔'onde électromagné兴奋的tick声接近一秒钟– 一个坚硬的ée 100 à比'horloge à jet atomique de Essen et Parry. Ces 钟表pré感觉到十皮秒的误差(10–12 seconde) 通过 jour et sont aujourd'hui à la base 的a réalisation du Temps atomique 整型ernational (),r的时间éfé在全球范围内的存在。今天'辉,全世界有二十个原子喷泉在运转,égulièrement comparé在他们之间为réaliser le .

L'avènement des 钟表optiques

最后两个ères 安ées, de nouveaux développements sur les 钟表atomiques ont permis d'approcher la pico­seconde d'erreur 通过 jour, soit moins d'每三十亿分之一秒'années或15秒'âge 的'Univers ! Ces nouvelles 钟表sont des 钟表optiques : les atomes sont 排除ités

non plus 通过 un champ électromagnétique de fréquence 1010 赫兹(l'équivalent d'会打败的钟摆à dix milliards de périodes 通过 seconde), comme dans l'horloge à césium, mais 通过 un champ lumineux qui oscille 100 000 fois plus vite, à 1015 赫兹。

该光场是由激光产生的,就像'oscillateur à石英,从动于两个水平d之间的过渡'é原子的能量。此过渡对应à une fré可见光谱或接近紫外线的频率。光场的振荡é两者都比摆锤快得多é周期也短得多;测量d'un infime 整型ervalle de temps en comptant un 姓bre entier de périodes est donc 先验 更轻松ée avec une 时钟optique qu'与摆。但是,您如何计算这些快速振荡?没有照片étecteur n'est capable de répondre à振荡得很快的领域。

C'2005年诺贝尔奖获得者约翰·霍尔和西奥多·H的贡献在这里äNSCH,至关重要。这两位研究人员及其é团队已经开发了« diviseur » de fré高效简单的光频率à mettre en œ工作。它基于'utilisation d'飞秒激光– un laser qui é放置超短脉冲(d'une durée 的'几飞秒的数量级,即10–15 第二)。在里面

fr的域équences, ces impulsions se traduisent 通过 des raies régulièrement espacées, à l'image des dents d'un peigne – d'où leur 姓 « peigne de fréquence ». L'梳齿的齿距很容易测量,因为它属于无线电波域,并且梳齿的每个齿ède une fréquence是此间距的整数倍。

像激发光场一样,从原子到原子跃迁,飞秒激光充当ègle graduée:结合激发光场和fr梳équence,有可能é完成最接近fr的梳齿é励磁场的频率,这使得连接fr成为可能é从光域到无线电域的快速频率où振荡信号较慢。这些信号可以ê仅由c传输âbles, 和我es périodes d'oscillation comptées 通过 des méthodes é通常的电子产品。分频器也可以être utilisé相反,作为乘数,并且réaliser, à来自bass enéquences, des références de fréquences pré可见光谱范围内的杂波。

L'amélioration des performances des 钟表est spectaculaire : en un peu plus de quatre siècles, les meilleures 钟表atomiques ont gagné13个数量级

通过 rapport au pendule de Huygens et, sur les 50 dernières 安ées, le gain est d'un facteur 10 tous Dix ans.

让我们回到原子喷泉的原理。我们'avons vu, dans la méthode inventée。N. Ramsey,他'est pas né振荡场必不可少é永久清除原子。两个连续的交互就足够了'est l'这些互动之间的时间间隔使écision 的'horloge : plus l'时间间隔越大,越大'horloge est pré明智的。为了延长这个时间,因此很想将喷泉的原子扔得尽可能高:expérience à l'Université斯坦福大学用天幕喷泉探索这个方向è很高。但是,这样的维度带来了新的约束,并且收益增加了。écision attendu n'é演化为平方根é身高;在这个expérience, il sera d'与运行中的喷泉相比,系数是三倍。

S'affranchir 的a pesanteur...

一个更根本的解决方案是'affranchir 的'accélération 的a pesanteur. Dans une fontaine atomique, 对于contrer la gravité并且足够高的项目

原子,它们必须具有相当高的速度,'ordre de quatre mè每秒另一方面,在失重中,'envoyer la boule d'atomes refroidis à速度是inf的40倍érieure – 的'ordre de dix centimètres 通过 seconde –, ce qui permet d'augmenter considérablement le dé与振荡场之间的两个相互作用之间的关系。 VS'是太空项目 法老 (项目d'horloge atomique 通过 refroidissement d'atomes en orbite) conduit 通过 le 锥体 和法国实验室çais.

原理'horloge 在微重力中é 法老 s'apparente à celui 的'埃森和帕里的钟ù原子射流的原子被替换és 通过 un jet ultralent d'atomes refroidis 通过 laser (看见 数字4)。大号'absence de gravité qui règne à bord d'卫星让原子能够'évoluer à恒定速度和两个区域d'interaction sont séparé在空间上。在紧凑的设备中,我们特别è重新产生r的曲线ésonance cinq à dix fois plus é比原子喷泉更近è10,000倍é比商用时钟窄。

L'horloge 法老 将是élé欧洲太空任务中心éenne 王牌 (太空中的原子钟集合)的'欧洲航天局éenne (埃萨)。有效载荷 王牌 将会被安装ée en 2013 à国际空间站,绕地球运行à une 高度moyenne de 400 kilomètres selon une période d'大约一个半小时,即5400秒。

除了'horloge 法老,la mission spatiale 王牌 有一个主à hydrogène développé在瑞士取代了'oscillateur à quartz, un systèultrapr地面到边缘时间比较écis 通过 é改变无线电信号développé en Allemagne, un transfert de temps 通过 laser, un récepteur 全球定位系统/伽利略 (未来系统ème européen 的ocalisation 通过 satellite) et des é支持设备(车载计算机等)。大号'ensemble pè重量为220公斤,耗电量不到450瓦,ême temps… sept lampes à60瓦白炽灯。

... 对于vérifier l'effet Einstein

的科学目标'这样的任务有几个组成部分。全部d'abord, l'horloge 法老 在微重力中é 和我e maser à hydrogène réaliseront dans l'espace une é合并时标ée de très haute stabilité. Le maser à hydrogène est en effet une 时钟atomique très stable à短期,而我'horloge 法老 非常ès stable à中长期通过奴役主'horloge 法老,我们将结合这些属性étés, qui conduiront à une échelle de temps très stable à短期,中期和长期。

这个é时间范围将进行比较ée à celle fournie 通过 un réseau d'落地钟。这样就有可能以很高的公关率进行测量écision l'effet Einstein, le décalage gravitationnel des 钟表prévu 通过 la relativité générale : la fréquence 的'horloge 法老,量度ée 通过 le réseau d'钟在地上出现îtra plus élevée que la fréquence des 钟表terrestres d'une quantité gH / c2g 在那儿'accélération 的a pesanteur, H l'空间站的高度和 c 光的速度ère. En d'换句话说,时间'é流动得更快'on s'é远离地球的引力场。

À l'海拔400公里ètres, on attend un décalage relatif en fréquence de 4,5310–11. Avec des 钟表stables dont l'incertitude en fréquence n'excède pas 10–16,l'爱因斯坦效应可能être testé à 2310–6 près – une amélioration d'un facteur 70 通过 rapport à la précédente expérience spatiale 重力 探测A的a 美国航空航天局 en 1976. 这个expérience a comparéfr两个小时équence d'un maser envoyé à bord d'une fusée sonde à 20 000 kilomètres d'altitude à celle d'地面上的主炮,至今仍是'这是最受欢迎的测试écis 的'effet Einstein.

二,grâce à cette é空间时标trè稳定后,就有可能比较实际参与的各个时钟à使命。这些通常以不同的物理原理运行。érents, utilisent d'其他原子或d'其他原子跃迁。然后将测试一个IDée soulevé英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)(1902-1984)的著作:物理学的基本常数是否随时间不变?大号'任务目标 王牌 来自ré敏感地在全球范围内进行这样的测试é de 10–17 通过 an.

例如,«精细结构常数» qui caractérise l'interaction électromagné滴答声和谁负责稳定性é原子和摩尔écules a-t-elle évolué自第一次âges 的'宇宙?或物质基本成分的质量比。è质子是什么é电子随l变化'âge 的'Univers ? L'该研究的利益被认为érable : si l'on dét的变体'une de ces quantités,这将标志着'équivalence, l'自工作以来的基础之一'从我们目前对物理学的描述来看,爱因斯坦是强奸é。这表明新的互动或新的力量正在发挥作用,'il faudra découvrir et étudier…回想天体物理学家告诉我们è占了质量的80%'今天可见的宇宙'hui est constituée de matière noire d'来历不明:此马蒂è她会与材料互动吗è重新可见的力量依旧未知?

测量克éoïde terrestre

除了测试物理基本定律和'amélioration du Temps atomique 整型ernational 通过 comparaison entre 时钟s, la mission 王牌 已应用科学目标és. Le pre

米尔相关à la géodésie. Une fois testée la validité du dé时钟的重力设置,我们可以使用'effet Einstein 对于é根据新的M评估地球的救济éthode : la dé差异的终止érence des potentiels gravitationnels entre deux 钟表distantes.

引力是一种物理量,可以转化为'attraction qu'施加质量'发生在地球上)。相关的重力ée à ce potentiel dé悬于两个质量和距离séparant. Supposons que ces deux 钟表soient identiques, au repos, 和我eur fréquences comparées à distance 通过 la mission 王牌 ou, 对于des distances plus faibles, 通过 fibre optique. Leur écart de fré频率将直接归因于à leur diffé引力势力

这个新的éthode de géodésie pourra être comparée à celles utilisé当前用于déterminer le géoï地面,地面ù引力是é在各方面都平等,谁é最能描述地球的引力场。 mé当前的方法是基于太空任务é土地平整方法。使命 王牌 目标à表明这种新型的géodé相对论可以敏感é距l的垂直距离'ordre de dix centimètres.

王牌 s'appuiera sur Derniers développements d'horloges optiques, telles celles mises au point 通过 l'éDavid Wineland的团队 尼斯,l'Institut américain des é高跟鞋和技术,à Boulder. 这个é团队刚刚表明了敏感性é当前的光学时钟的'effet Einstein peut être détecté仅30厘米的距离è非常! (要转换此dé相对论测试原理的证明é, il faudra bien sûr增加此距离à bien plus grande é通过将这些新时钟发送到'空间 ;接管特派团的一些建议 王牌/法老 à l'地平线2022正在进行中。)

如果我'on extrapole les performances des 钟表actuelles dans dix ans, les 钟表optiques devraient atteindre une stabilité de fréquence de 10–18,让我'é相当于一厘米ètre de dé重力校准。À cette é规模,地电位n'完全不再稳定;它根据'état des marées océ肛门,大气压é礼节,风和海平面'phr含水层中的水éatiques. Ainsi, si les 钟表deviennent un nouveau type de détecteur géodé通常,人们担心地球电位的这些波动会限制质量é时间测量及其应用。

一个可能的解决方案将是'installer dans l'espace une ou plusieurs 钟表ultrastables de façon à s'没有这些波动,包括'influence décroît très vite lorsqu'on s'é远离地球表面。

第二类'应用程序基于'utilisation du récepteur 全球定位系统/伽利略 地点é sur la plateforme 王牌 对于étudier l'atmosphère terrestre. Lorsqu'它们出现或消失在'从国际空间站看到的地平线,信号émis 通过 les satellites du système 全球定位系统 被打扰és 通过 la vapeur d'eau 的'atmosphère qu'ils traversent. De même, ils sont affectés 通过 Différences de tempé根据'altitude. Les mété生物学家利用这些信号来重建阴天地区和温度剖面图érature 的'atmosphère. Une autre direction de recherche 在那儿'exploitation 的a réflexion des signaux 全球定位系统 在海面上,这使得accès à海浪的高度和à leur direction.

L'avenir 的a mesure du temps

太空任务 王牌 解决最后ère phase de ré在发射到国际空间站之前先进行化装。国防部èles d'ingé否认文书有été réalisés et testés durant les 安ées 2008-2010. L'horloge 法老 和我es autres instruments de vol sont en cours de fabrication 通过 les industriels. Ils seront assemblés et testé在太空中心 锥体 à Toulouse avant d'être acheminés至德国腓特烈港,où l'inté平台上的全局光栅 王牌 将是éalisée。在发射'espace 将是éalisé 通过 大惊小怪é下半场日语é de 2013 对于一个坚硬的é18个月的任务à 3 ans. Les équipes d'ingé尼尔和科学家公关é父母现在操作érations en vol, l'acquisition des données及其操作。

取决于'où les 钟表atomiques pourront-elles progresser avant qu'一项超越他们的新技术?四月ès 45年的良好和忠诚的服务é第二底的当前完成ée sur l'atome de césium est aujourd'hui dépassée d'un facteur 20 通过 les 钟表optiques. Il faudra donc changer la dé完成第二个系统ème 整型ernational. Les atomes candidats sont 姓­breux – strontium (看见 数字5),,汞,铝… – et

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