【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】来自国家物理实验室（NPL），Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）和Istituto Nizionale di Ricerca Metrologica（INRIM）的时钟专家在欧洲的首次合作使用了一种可移动的光学原子钟来首次测量引力。实验结果发表在Nature Physics上。到目前为止，这些微妙的时钟仅限于几个主要研究机构的实验室。然而PTB的研究人员开发了一种可移动的锶光晶格时钟，用于在现场进行测量。运输时钟由振动阻尼和温度稳定的拖车驱动至法国Modane地下实验室（LSM）。多学科实验室位于法国和意大利之间的弗雷瑞斯公路隧道的中间。
Modane地下实验室的可移动锶光晶格时钟。图片版权：Lisdat / PTB
在那里，团队测量了位于意大利托里诺90公里外的INRIM的第二个时钟与第二个时钟之间的重力电位差，高度差约为1000米。两个时钟的准确比较是通过使用INRIM设置的150公里长的光纤链路和NPL的频率梳将时钟连接到链路来实现的。莱布尼茨大学汉诺威分校的研究人员还使用传统的大地测量技术确定了重力电位差，并证明两个测量结果是一致的。随着可移动光学时钟精度的提高，这种技术有可能解决地球表面上小至1厘米的高度差异。使用光学时钟的优点是，他们可以在特定的点进行测量，而不像基于卫星的测量，例如GRACE和GOCE，它们在大约100公里的长度范围内平均重力电位。
法国Modane地下实验室（LSM）的PTB减振原子钟的振动阻尼和温度稳定拖车。图片版权：Lisdat / PTB
这种新颖的方法可以导致对地球重力势能进行更高分辨率的测量，使科学家能够以前所未有的精度监测与海平面和海流动力相关的大陆高度变化。这也将导致更加一致的国家身高系统。目前，不同的国家以相同的方式测量地球表面，但是相对于不同的参考水平。这导致了一些问题，例如德国和瑞士之间的Hochrhein桥，两边的建筑使用不同的海平面计算，导致双方之间的差距达到54厘米。实现国家系统的一致性将防止工程和建设项目中的代价高昂的错误。对重力势的改进测量也可能有助于提高我们对与地球表面质量变化相关的地球动力学效应的理解。
PTB的可移动光学原子钟的拖车内部视图。图片版权：物理技术学院（PTB）
该技术还将实时测量海平面的变化，使研究人员能够跟踪冰盖质量的季节和长期趋势以及整体海洋质量的变化。这些数据为用于研究和预测气候变化影响的模型提供了重要的输入。NPL的光学频率标准和计量学研究员Helen Margolis说：原理验证实验表明，光学时钟可以提供消除差异并协调跨国界测量的方法。有一天，这种技术可以帮助监测气候变化导致的海平面变化。PTB的组长Christian Lisdat说：光学时钟被认为是下一代原子钟 - 不仅在实验室中运行，而且还在移动精密仪器中运行。
INRIM的Davide Calonico表示：证明了光学时钟是有价值的量子传感器，其量子技术在大地测量学的基础计量之外是有益的。光学时钟和光纤链路一起提供了获得新的和令人着迷的科学研究的可能性。LeibnizUniversittHannover的Heiner Denker说：新开发的光学时钟有可能彻底改变大地测量的高度测定，因为它们可以克服经典大地测量技术的一些局限性。光学时钟可以帮助建立一个统一的世界高度参考系统，对地球动力学和气候研究产生重大影响。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：自然物理学
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：Physikalisch-Technische Bundesanstalt
编译：光量子
审校：博科园
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