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物理学家表示,现在有一种新的时钟,藉由测量物质最小组成份子的重量来进行计时。把质量跟时间串在一起这项技术,竟然可以用量子力学的方式,重新定义一公斤有多重。

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图片来源:Bureau International des Poids et Mesures

劳力士表当然是很棒啦,不过这个时钟才是真正的优雅之作。物理学家说现在有一种新的时钟,藉由测量物质最小组成份子的重量来进行计时。跟运作原理不同的标准原子钟相较之下,这种新时钟的计时效果实在不怎样;不过把质量跟时间串在一起之后,这套技法竟然可以用量子力学的方式,重新定义一公斤有多重。

“这项超棒的实验显示,重新定义公斤之路已然开启。”由科罗拉多大学跟美国国家标准与技术研究所共同营运的 JILA 实验室物理学家约翰.霍尔 (John Hall) 说。

标准原子钟的优点在于,一颗原子在其内部结构从某个“量子态”跳跃到另一个时,能够吸收像是光之类的电磁辐射的某些频率。原子钟的原理基本上就是把原子暴露在这个频率的辐射下,做为时钟的“滴答声”。为官方世界时间计时的原子钟,准确度达到一京(一万兆)分之三,所以即使过了一亿年,也差不到一秒钟。

加州大学柏克莱分校物理学家霍格.缪勒 (Holger Muller) 说,你当然能够用不一样的方法来计时。任何大质量粒子都必须用一个上下振荡的量子波来加以描述,即使那个粒子只是在原地不动也一样。原子愈重,上下振荡拍动的所谓康普顿频率 (Compton frequency) 就愈高。就原理来说,量子振荡也能够拿来计时。

不过实际上,一个原子的康普顿频率实在太高,每秒高达一秭(一兆兆)次循环,任何电子计数器都无法加以测量。因此缪勒跟他的学生蓝劭宇等人想出一种办法,在探讨爱因斯坦相对论的实验中,追踪原子的康普顿频率。他们将研究结果发表于今年一月的《科学》期刊上。

研究者先让一团铯原子穿透空间,往一座侦测器掉落,这些原子在途中碰到两道相对发射,频率略有不同的雷射脉冲,会轻轻地推动这些原子,但不会使其内部结构改变。这两道脉冲会把这团铯原子一分为二,其中一半一如往常般掉落,另一半则从前面那一半被推开,然后再被推回去迎头赶上。

这时就是相对论上场的时候了:就没有被推动的前半团原子来说,后半团的原子先是远离,然后又跑了回来。因为后半团每秒会移动个几公分,根据爱因斯坦的狭义相对论预测,奇怪的时间扩张现象会使其看似有那么一点点慢了下来,结果就是后半团的量子波,比起前半团的振荡频率会来得低一点。

当这两团原子重新结合时,振荡频率的差异会影响到他们交叠跟“干涉”的情况。如果研究者把这两道雷射的频率差调到刚刚好的话,重新结合的量子波会“有建设性地”产生干涉,这团原子就会落到侦测器上。在这种情况下,只要用一条方程式就可把能够当成时钟滴答声的“频率差”,跟原子的康普顿频率,以及频率低得多的两道雷射平均频率,它们之间的关系串联在一起。

这几乎就是研究者想要的结果,只不过多了讨厌的雷射平均频率搅局而已。只要这个频率依然是个独立输入变数,这整套系统就得倚赖时钟用来设定时间的东西,而不是一个可以独立运作的时钟。为了解决这个问题,研究者使用一套叫做“光频梳” (frequency comb) 的精巧回馈系统,用已知的不同频率倍数来修正雷射平均频率。这么一来雷射平均频率就从方程式里去除了,只剩下频率差是已知康普顿频率的几分之一的关系,单靠铯原子的质量就能设定时钟的滴答速率。

由于参与研发光频梳,在二〇〇五年获颁诺贝尔物理学奖的霍尔说,这项实验真是“一项绝技”。不过他说这招的精确度只到一亿分之一而已,所以如果有人声称说这种时钟能够与原子钟相匹敌,“简直就像要你相信在加州哈烟草是合法的一样可笑”。

霍尔说这套做法真正的价值,在于可以重新定义一公斤有多重。公斤是国际单位系统里,最后一种由实体文物定义的物理单位,目前是由存放于法国赛佛尔国际度量衡局的一根铂铱合金圆柱体加以定义。但是这根用作标准的圆柱体,几十年来经过反覆清洗的结果,已经变得愈来愈轻。

测量康普顿频率提供了另一种定义公斤的方式。研究者只需要定义康普顿频率需要乘以多少,才能得到原子质量的蒲朗克常数就行了,这么一来测量出一个原子的康普顿频率,就能得到原子质量确实的公斤值。霍尔说事实上你可以把缪勒的实验,当成是在既有的单位系统里测量蒲朗克常数。他补充说巴黎高等师范学院的范斯华.毕拉班 (Francois Biraben) 领导的研究团队,已经使用非常类似的技法,更精确地测量出一公斤有多重。

不过即便公斤可用这种方式重新定义,还是需要下些工夫,才能把结果应用到日常生活的宏观尺度里。“要从一颗原子那么一丁点的质量,转变成你能拿去超级市场,确保你买了一公斤的糖真的有一公斤重的工具,这中间还有很长一段路要走。” JILA 的物理学家史蒂芬.康狄夫 (Steven Cundiff) 表示。一项叫做“亚佛加厥计划” (Avogadro Project) 的重新定义公斤方案,其研究者正试着做出一颗内含原子数刚好等于亚佛加厥常数的矽胶球体,藉此把实验结果跟公斤串接起来。如果科学家能够算出矽原子的质量,这些矽胶球体就能够把原子质量转变成宏观尺度的工具。