中科大重磅成果“秒”或被重新定義讓我們感受科技進(jìn)步的震撼。下面是小編整理的中科大重磅成果“秒”或被重新定義怎么解讀，以供參考，歡迎大家收藏并分享喲!

中科大重磅成果“秒”或被重新定義怎么解讀?

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事張強(qiáng)、姜海峰、彭承志等與上海技物所、新疆天文臺(tái)等單位合作，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)的自由空間高精度時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有望對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)、物理學(xué)基本常數(shù)檢驗(yàn)、相對(duì)論檢驗(yàn)等基礎(chǔ)物理學(xué)研究產(chǎn)生重要影響。該成果于北京時(shí)間10月5日晚在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。#秒或被重新定義#

在科學(xué)領(lǐng)域，時(shí)間的測(cè)量精度已經(jīng)步入10的負(fù)19次方量級(jí)，也就是百億年，誤差不到1秒。作為七大基本物理量之一的時(shí)間，是目前測(cè)量最精確的物理量。有最精確的計(jì)時(shí)，還要有與之精度相匹配的時(shí)間傳遞技術(shù)，兩者同樣重要。

地面附近自由空間的環(huán)境復(fù)雜，大氣中的各種擾動(dòng)和湍流、鏈路損耗、環(huán)境變化等等因素給自由空間中的長(zhǎng)距離時(shí)頻傳遞帶來(lái)了極大困難。之前，自由空間中的光頻傳輸技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)10公里量級(jí)的傳輸距離。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)向這一難題發(fā)起挑戰(zhàn)。在光源方面，研制出高功率高穩(wěn)定度光梳，在光信號(hào)收發(fā)信道方面，研制出高穩(wěn)定性且高效率的光收發(fā)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，另外采用線性光學(xué)采樣的干涉測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間測(cè)量。經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)攻關(guān)，終于在相隔113公里的新疆南山天文臺(tái)和高崖子天文臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)秒10的負(fù)19次方量級(jí)穩(wěn)定度的時(shí)頻傳遞。

時(shí)間的精確測(cè)量和傳遞，將使人們能夠?qū)ο鄬?duì)論原理、各種引力理論、暗物質(zhì)模型等等基礎(chǔ)物理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。同時(shí)這也和我們的生活密切相關(guān)，例如，衛(wèi)星的導(dǎo)航精度與計(jì)時(shí)精度緊密相關(guān)，要想定位更準(zhǔn)確，比如精確到毫米以下，就需要更好的計(jì)時(shí)精度。在大地測(cè)量、地質(zhì)勘探、雷達(dá)探測(cè)等等涉及社會(huì)民生的領(lǐng)域，精確的時(shí)間也都將發(fā)揮重要作用。

現(xiàn)在“秒”的定義是1967年確定的，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)際計(jì)量組織計(jì)劃2026年討論“秒”定義的變更。

暗物質(zhì)是什么?

幾十年前，暗物質(zhì)剛被提出來(lái)時(shí)僅僅是理論的產(chǎn)物，但是現(xiàn)在我們知道暗物質(zhì)已經(jīng)成為了宇宙的重要組成部分。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時(shí)更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個(gè)謎，但是如果假設(shè)它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那么由此形成的宇宙尺度結(jié)構(gòu)與觀測(cè)相一致。不過(guò)，最近對(duì)星系以及亞星系結(jié)構(gòu)的分析顯示，這一假設(shè)和觀測(cè)結(jié)果之間存在著差異，這同時(shí)為多種可能的暗物質(zhì)理論提供了用武之地。通過(guò)對(duì)小尺度結(jié)構(gòu)密度、分布、演化以及其環(huán)境的研究可以區(qū)分這些潛在的暗物質(zhì)模型，為暗物質(zhì)本性的研究帶來(lái)新的曙光。

大約65年前，第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。當(dāng)時(shí)，弗里茲·扎維奇(Fritz Zwicky)發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動(dòng)速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計(jì)算所得到的值的100倍以上，否則星系團(tuán)根本無(wú)法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測(cè)分析證實(shí)了這一點(diǎn)。盡管對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無(wú)所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質(zhì)以被廣為接受了。

在引入宇宙暴漲理論之后，許多宇宙學(xué)家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的(這一臨界值用于區(qū)分宇宙是封閉的還是開(kāi)放的)。與此同時(shí)，宇宙學(xué)家們也傾向于一個(gè)簡(jiǎn)單的宇宙，其中能量密度都以物質(zhì)的形式出現(xiàn)，包括4%的普通物質(zhì)和96%的暗物質(zhì)。但事實(shí)上，觀測(cè)從來(lái)就沒(méi)有與此相符合過(guò)。雖然在總物質(zhì)密度的估計(jì)上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒(méi)有大到使物質(zhì)的總量達(dá)到臨界值，而且這一觀測(cè)和理論模型之間的不一致也隨著時(shí)間變得越來(lái)越尖銳。

當(dāng)意識(shí)到?jīng)]有足夠的物質(zhì)能來(lái)解釋宇宙的結(jié)構(gòu)及其特性時(shí)，暗能量出現(xiàn)了。暗能量和暗物質(zhì)的唯一共同點(diǎn)是它們既不發(fā)光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，象普通的物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)是引力自吸引的，而且與普通物質(zhì)成團(tuán)并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中幾乎均勻的分布。所以，在統(tǒng)計(jì)星系的能量時(shí)會(huì)遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測(cè)到的物質(zhì)密度和由暴漲理論預(yù)言的臨界密度之間70-80%的差異。之后，兩個(gè)獨(dú)立的天文學(xué)家小組通過(guò)對(duì)超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量占主導(dǎo)的宇宙模型成為了一個(gè)和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測(cè)器(Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP)的觀測(cè)也獨(dú)立的證實(shí)了暗能量的存在，并且使它成為了標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分。

暗能量同時(shí)也改變了我們對(duì)暗物質(zhì)在宇宙中所起作用的認(rèn)識(shí)。按照愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，在一個(gè)僅含有物質(zhì)的宇宙中，物質(zhì)密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過(guò)去和未來(lái)。加上暗能量的話，情況就完全不同了。首先，總能量密度(物質(zhì)能量密度與暗能量密度之和)決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經(jīng)從物質(zhì)占主導(dǎo)的時(shí)期過(guò)渡到了暗能量占主導(dǎo)的時(shí)期。大約在"大爆炸"之后的幾十億年中暗物質(zhì)占了總能量密度的主導(dǎo)地位，但是這已成為了過(guò)去。現(xiàn)在我們宇宙的未來(lái)將由暗能量的特性所決定，它目前正時(shí)宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會(huì)隨時(shí)間衰減或者改變狀態(tài)，否則這種加速膨脹態(tài)勢(shì)將持續(xù)下去。

不過(guò)，我們忽略了極為重要的一點(diǎn)，那就是正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒(méi)有暗物質(zhì)就不會(huì)形成星系、恒星和行星，也就更談不上今天的人類(lèi)了。宇宙盡管在極大的尺度上表現(xiàn)出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恒星、星系、星系團(tuán)、巨洞以及星系長(zhǎng)城。而在尺度上能過(guò)促使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力就只有引力了。但是均勻分布的物質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生引力，因此今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)必然源自于宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落，而這些漲落會(huì)在宇宙微波背景輻射(CMB)中留下痕跡。然而普通物質(zhì)不可能通過(guò)其自身的漲落形成實(shí)質(zhì)上的結(jié)構(gòu)而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因?yàn)槟菚r(shí)普通物質(zhì)還沒(méi)有從輻射中脫耦出來(lái)。

另一方面，不與輻射耦合的暗物質(zhì)，其微小的漲落在普通物質(zhì)脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質(zhì)脫耦之后，已經(jīng)成團(tuán)的暗物質(zhì)就開(kāi)始吸引普通物質(zhì)，進(jìn)而形成了我們現(xiàn)在觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。因此這需要一個(gè)初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這里需要的物質(zhì)就是冷暗物質(zhì)，由于它是無(wú)熱運(yùn)動(dòng)的非相對(duì)論性粒子因此得名。

在開(kāi)始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最后一件重要的事情。對(duì)于先前提到的小擾動(dòng)(漲落)，為了預(yù)言其在不同波長(zhǎng)上的引力效應(yīng)，小擾動(dòng)譜必須具有特殊的形態(tài)。為此，最初的密度漲落應(yīng)該是標(biāo)度無(wú)關(guān)的。也就是說(shuō)，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長(zhǎng)的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都應(yīng)該是相同的。暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動(dòng)力學(xué)出發(fā)機(jī)制來(lái)形成這樣一個(gè)標(biāo)度無(wú)關(guān)的小擾動(dòng)譜(其譜指數(shù)n=1)。WMAP的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)言，其觀測(cè)到的結(jié)果為n=0.99±0.04。

但是如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能說(shuō)我們已經(jīng)了解了宇宙?，F(xiàn)在已經(jīng)知道了兩種暗物質(zhì)--中微子和黑洞。但是它們對(duì)暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)是非常微小的，暗物質(zhì)中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚。這里我們將討論暗物質(zhì)可能的候選者，由其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測(cè)器和天文觀測(cè)來(lái)揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)。

相對(duì)論簡(jiǎn)介

相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論，主要由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦創(chuàng)立，依據(jù)研究的對(duì)象不同分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。相對(duì)論的基本假設(shè)是相對(duì)性原理，即物理定律與參照系的選擇無(wú)關(guān)。狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)的區(qū)別是，前者討論的是勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系(慣性參照系)之間的物理定律，后者則推廣到具有加速度的參照系中(非慣性系)，并在等效原理的假設(shè)下，廣泛應(yīng)用于引力場(chǎng)中。相對(duì)論極大地改變了人類(lèi)對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“同時(shí)的相對(duì)性”、“四維時(shí)空”、“彎曲時(shí)空”等全新的概念。它發(fā)展了牛頓力學(xué)，推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的高度。