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比原子鐘更精確的是?

2021-06-10 由【】發表於 科技

自人類文明伊始,我們就開始利用一些能觀察到的周期性現象進行計時。太陽東升西落,人們學會在地上豎起一根木棍,通過步測影子的長度讀出時間,這就是最初的時鐘,也被稱為日規。而後,人們在日規的基礎上發展出更精巧的日晷。後來,水鐘和鐘擺的出現使得計時越來越不依賴自然的日光。

如今,原子的振蕩是科學傢目前所能觀測到的最穩定的周期性事件,而原子鐘也成瞭目前世界上最精確的計時器,它的穩定程度甚至超過瞭自然行星系統的運行。現今最精確的光學原子鐘差不多能精確到10 分之一,換句話說,如果它從宇宙大爆炸之初就開始運行,一直走到今天,誤差也不超過1秒。

核鐘的藝術傢暢想圖。| 圖片來源:P. G. Thirolf et al., Ann. Phys. 531, 1800381 (2019)

然而科學傢並沒有止步於此,他們正努力制造出一種比原子鐘更精確的時鐘。它被稱為核鐘,甚至可能成為有史以來最精確的計時器,據估計,其精度可以達到原子鐘的10倍。物理學傢相信,隨著時鐘精確度的不斷提高,它們能幫助探索更多問題,將探索的目光推向更極致的邊緣。

原子鐘利用的是電子的能量躍遷來計時。根據量子物理學,原子中的電子在特定的能級上隻能攜帶一定量的能量。為瞭使原子中的電子從一個能級到達另一個能級,必須用適當頻率的激光照射原子。這一頻率,也就是光的電磁波振蕩的速率,就可以作為一個非常精確的計時器。

原子中的電子及其能級簡化示意圖。| 圖片來源:嶽嶽 / 原理

就像原子中的電子一樣,原子核裡的質子和中子同樣占據著不連續的能級。但不同的是,原子核受到強大的核力作用,這種力將質子和中子牢牢綁在一起。

原則上來說,物理學傢可以利用原子核的物理特性,制造出全新的核鐘。核鐘能通過核能級之間的躍遷,而不是電子能級的躍遷來計時。值得註意的是,由於原子核比原子的電子殼層小得多,它對外界的擾動更加不敏感。原子核能夠抵禦會幹擾原子鐘的雜散電場或磁場的影響。因此一些物理學傢相信,核鐘更穩定,也更精確。

但問題在於,如果要用原子核計時,就需要激發原子核能級之間的躍遷。科學傢清楚,對大多數原子核來說,激光或許“力所不能及”,這需要比激光更高能量的光。幸運的是,在所有已知的原子核中,物理學傢已經發現瞭一個例外,那是個“怪咖”:在釷-229中,有一對能量足夠接近的相鄰能級,激光就有可能引發躍遷。

更精確地測量這種躍遷的能量,便是建造釷核鐘的關鍵一步。2019年《自然》雜志上的論文報道,一組物理學傢通過測量原子核在兩個能級之間躍遷時發射的電子來估算其能量。在2020年的一項新研究中,研究人員測量瞭釷原子核能夠產生的其他能量躍遷,減去它們,就可以推斷出核鐘躍遷的能量。

自1994年起發表的釷-229能值,不同形狀標識代表不同研究,最後四組(星標)即為最新研究得到的新數據。紅色粗線代表著最近8次測量的加權均值,大約為8.12±0.11eV,相當於152.7±2.1 nm的波長。| 圖片來源:L. von der Wense/JILA; adapted by APS/Alan Stonebraker

研究人員一致認為,這種躍遷的能量大約是8電子伏特多一點,這種能量相當於紫外線的波長范圍,在這種情況下,用激光激發躍遷是可能的,但也正處於目前科學傢能力極限的邊緣。

在瞭解躍遷能量的大小之後,科學傢下一步的目標就是用激光觸發它,並在未來數年內建造出真正的核鐘。目前,科學傢嘗試的方法包括頻率梳和電子橋等。頻率梳是一種創建激光不連續頻率陣列的方法,它有望啟動躍遷,並更準確地測量其能量;而電子橋的大致原理則是使激光首先激發電子,然後再將能量轉移到原子核。

不少物理學傢相信,更精確的時鐘可以推動依賴於它們的技術的改進,比如GPS導航。核鐘還可以讓人們對物理學中的基本思想進行新的測試,許多物理學傢感興趣的是,它可以幫助確定自然中的一些基本常數是否會隨時間而變化。

例如,一些研究表明,精細結構常數(決定電磁相互作用強度的數字)在某些情況下可能會產生變化,而核鐘就是尋找基本常數變化的完美系統。這些裝置同樣能夠測試愛因斯坦的廣義相對論的基礎,也就是所謂的等效原理。這種極為精確的時鐘甚至還有潛力用於尋找暗物質,或者解決物理學中的一些大問題,幫助揭開物理學的新篇章。

#創作團隊:

編譯:毛尖尖

#參考來源:

Nuclear clocks could outdo atomic clocks as the most precise timepieces

https://physics.aps.org/articles/v13/152

https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/milestones-on-the-way-to-the-nuclear-clock-1

#圖片來源:

封面圖:TU WIEN