比原子钟更精确的是?

核钟的精度可以达到原子钟的10倍

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:毛尖尖,题图来自:视觉中国

自人类文明伊始,我们就开始利用一些能观察到的周期性现象进行计时。太阳东升西落,人们学会在地上竖起一根木棍,通过步测影子的长度读出时间,这就是最初的时钟,也被称为日规。而后,人们在日规的基础上发展出更精巧的日晷。后来,水钟和钟摆的出现使得计时越来越不依赖自然的日光。

如今,原子的振荡是科学家目前所能观测到的最稳定的周期性事件,而原子钟也成了目前世界上最精确的计时器,它的稳定程度甚至超过了自然行星系统的运行。现今最精确的光学原子钟差不多能精确到10¹⁸分之一,换句话说,如果它从宇宙大爆炸之初就开始运行,一直走到今天,误差也不超过1秒。

 核钟的艺术家畅想图。| 图片来源:P. G. Thirolf et al., Ann. Phys. 531, 1800381 (2019)

然而科学家并没有止步于此,他们正努力制造出一种比原子钟更精确的时钟。它被称为核钟,甚至可能成为有史以来最精确的计时器,据估计,其精度可以达到原子钟的10倍。物理学家相信,随着时钟精确度的不断提高,它们能帮助探索更多问题,将探索的目光推向更极致的边缘。

原子钟利用的是电子的能量跃迁来计时。根据量子物理学,原子中的电子在特定的能级上只能携带一定量的能量。为了使原子中的电子从一个能级到达另一个能级,必须用适当频率的激光照射原子。这一频率,也就是光的电磁波振荡的速率,就可以作为一个非常精确的计时器。

 原子中的电子及其能级简化示意图。| 图片来源:岳岳 / 原理

就像原子中的电子一样,原子核里的质子和中子同样占据着不连续的能级。但不同的是,原子核受到强大的核力作用,这种力将质子和中子牢牢绑在一起。

原则上来说,物理学家可以利用原子核的物理特性,制造出全新的核钟。核钟能通过核能级之间的跃迁,而不是电子能级的跃迁来计时。值得注意的是,由于原子核比原子的电子壳层小得多,它对外界的扰动更加不敏感。原子核能够抵御会干扰原子钟的杂散电场或磁场的影响。因此一些物理学家相信,核钟更稳定,也更精确。

但问题在于,如果要用原子核计时,就需要激发原子核能级之间的跃迁。科学家清楚,对大多数原子核来说,激光或许“力所不能及”,这需要比激光更高能量的光。幸运的是,在所有已知的原子核中,物理学家已经发现了一个例外,那是个“怪咖”:在钍-229中,有一对能量足够接近的相邻能级,激光就有可能引发跃迁。

更精确地测量这种跃迁的能量,便是建造钍核钟的关键一步。2019年《自然》杂志上的论文报道,一组物理学家通过测量原子核在两个能级之间跃迁时发射的电子来估算其能量。在2020年的一项新研究中,研究人员测量了钍原子核能够产生的其他能量跃迁,减去它们,就可以推断出核钟跃迁的能量。

 自1994年起发表的钍-229能值,不同形状标识代表不同研究,最后四组(星标)即为最新研究得到的新数据。红色粗线代表着最近8次测量的加权均值,大约为8.12±0.11eV,相当于152.7±2.1 nm的波长。| 图片来源:L. von der Wense/JILA; adapted by APS/Alan Stonebraker

研究人员一致认为,这种跃迁的能量大约是8电子伏特多一点,这种能量相当于紫外线的波长范围,在这种情况下,用激光激发跃迁是可能的,但也正处于目前科学家能力极限的边缘。

在了解跃迁能量的大小之后,科学家下一步的目标就是用激光触发它,并在未来数年内建造出真正的核钟。目前,科学家尝试的方法包括频率梳和电子桥等。频率梳是一种创建激光不连续频率阵列的方法,它有望启动跃迁,并更准确地测量其能量;而电子桥的大致原理则是使激光首先激发电子,然后再将能量转移到原子核。

不少物理学家相信,更精确的时钟可以推动依赖于它们的技术的改进,比如GPS导航。核钟还可以让人们对物理学中的基本思想进行新的测试,许多物理学家感兴趣的是,它可以帮助确定自然中的一些基本常数是否会随时间而变化。

例如,一些研究表明,精细结构常数(决定电磁相互作用强度的数字)在某些情况下可能会产生变化,而核钟就是寻找基本常数变化的完美系统。这些装置同样能够测试爱因斯坦的广义相对论的基础,也就是所谓的等效原理。这种极为精确的时钟甚至还有潜力用于寻找暗物质,或者解决物理学中的一些大问题,帮助揭开物理学的新篇章。

参考来源:

https://www.sciencenews.org/article/nuclear-clock-atomic-most-precise-time-physics

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

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:毛尖尖

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