观测者在重力势中的位置决定了时间的流逝。对于像地球这样的大质量,可以通过高精度原子钟来测量这种影响,并将其用于确定两个时钟之间的高度差。德国联邦物理技术研究院(PTB)开发的便携式锶光时钟首次实现了其中一个时钟在位置选择上的灵活性。

移动原子钟用作高度计 LSM地下实验室中,集装箱中的光学时钟和用于频率传输的光学组件

光学原子钟是一种复杂的装置,在此之前,我们只能在一些大型研究机构的实验室里看到它。依靠原子中可见光激发的光学跃迁,而不是像铯钟那样由微波触发的跃迁,可以实现更高的准确度。光学时钟让我们离探测仅一厘米大小的高度差又近了一步。

在第一次测量活动中,PTB的移动锶光钟被放置在汽车拖车中,并被送往法国摩丹地下实验室,该实验室位于法国和意大利边界Frejus隧道的中间。在那里,由PTB和NPL(英国国家物理实验室)组成的团队操作该时钟,并通过一条150千米的玻璃纤维链路将其频率传输至位于都灵的INRIM(意大利国家计量研究院),那里有第二个原子时钟用于测量锶时钟的频率。随后,他们再次对INRIM的两个时钟进行比较,通过LSM和INRIM之间的高度差来确定锶钟的频率变化,这个高度差大约为1000米。观测到的频率相对变化大约为 1×10–13。通过把频率的变化乘以光速的平方,就得到了重力势的潜在变化。重力势的精确差值先前已由汉诺威大学用传统的大地测量方法确定。而两次测量的结果是一致的。

为了使新方法与现有的测量方法相比更具竞争力,便携式时钟还需要进一步改进。但是,预计新方法将能够以高空间分辨力和不损失准确度的方式覆盖长距离。以这种方式改进的重力势测量可能有助于更准确地探测诸如冰原位移和质量的综合变化(如海水)等影响。这些数据对建模至关重要,因为它们有助于更好地理解全球气候变化,并预测变化。

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