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重磅!被傳“預定諾獎”的核鐘到底是何方神圣?

發(fā)布時間:2024-09-30 05:53:57 來源:中國科普博覽 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

出品:科普中國

作者:李華東(理論物理學博士)

監(jiān)制:中國科普博覽

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或許,除了物理學家,再不會有人對定義“一秒鐘”如此執(zhí)著。

2024年9月4日,《自然》雜志刊登了一篇封面論文,標題是《釷?229m異構體的核躍遷與鍶?87原子鐘的頻率比》。

《自然》封面

(圖片來源:《自然》)

而在同一天,《科學》雜志官網(wǎng)刊出評論文章,稱該成果為“有望將超精密核鐘帶入新時代的突破”。更有網(wǎng)友聲稱,有此成果,論文作者,美國科羅拉多大學的葉軍(團隊)有望在未來獲得諾貝爾物理學獎。

那么,到底是什么研究能讓《自然》《科學》兩大頂級期刊聯(lián)袂推薦?這個“核鐘”是何方神圣?它又能為“一秒鐘”的定義帶來什么不同?

如何定義“一秒鐘”,一天的1/86400?

在大眾眼中,一秒鐘就是鐘表上的秒針走過“一格”的時間。它走過60格,一分鐘過去了;走過3600格,一小時過去了;走過86400格,一天就過去了。

一切看起來是那么的理所當然,因為地球就是這樣自轉和公轉——當一天過去,太陽又會正對同一處地方——86400秒就是這么長。

由于地球在繞日公轉,當日太陽直射的地點A,在地球自轉一圈后(用時23時56分,一個恒星日),還得等地球再轉過一定角度(用時4分)才能重新受到太陽直射,總用時24時(一個太陽日)

(圖片來源:Renaissance Universal)

但問題是,由于潮汐作用、太陽質(zhì)量變化,以及其它天體的引力等因素,地球自轉和公轉周期的變化雖然極其微小,但也的確存在。

人們靠“天”來定義的“一秒有多長”,好像并不總是那么長。

于是,在20世紀,乘著科學從宏觀走向微觀,從經(jīng)典來到量子的東風,物理學家發(fā)現(xiàn),原來自然界中還存在一種超級“時鐘”,它遠比天體運動更為穩(wěn)定。

雖然由它來定義的一秒鐘——銫?133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷時所輻射的電磁波的周期的9 192 631 770 倍的時間——對普通人來說,難以理解到近乎“鳥語”,但卻成為了物理學家研究時空性質(zhì)的強力工具。

畢竟,誰不想在咫尺之間,測出由地球所導致的引力紅移呢?

【閱讀貼士:引力紅移現(xiàn)象】

引力紅移是指由于引力場的存在,從引力場中發(fā)出的光或其他電磁輻射的頻率在遠離引力場時會降低,波長變長,從而向光譜的紅端移動的現(xiàn)象,是由愛因斯坦廣義相對論所預言的一種現(xiàn)象之一。如果能夠觀測到引力紅移,就是對廣義相對論的一個強有力的驗證。

而由于地球的引力場相對較弱,導致紅移效應在咫尺之間非常微小。在實驗室條件下,即使是非常精確的儀器,也很難檢測到這種微小的變化。因此,這也是眾多科學家們所努力想要解決的一個問題。

原子鐘和光鐘才更精確!但最精確嗎?

2022年2月17日,《自然》雜志的封面論文Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample表示,即便高度只相差1毫米,時間流逝的不同也能被測量出來。

《自然》封面

論文作者,同樣是科羅拉多大學的葉軍團隊,通過測量1毫米厚的鍶?87原子團(約10萬個原子)的躍遷頻率,發(fā)現(xiàn)最上層和最下層原子的躍遷頻率出現(xiàn)了約一千億億分之一的差別。

這個數(shù)值意味著,3000億年后,最上層的原子所經(jīng)歷的時間會比最下層的多一秒。這是人類首次在毫米尺度上,驗證了廣義相對論所預言的引力紅移效應。

原子所處位置越高,引力紅移越嚴重,所經(jīng)歷的時間越長/快

(圖片來源:維基百科)

而這一切的前提,則是對單位時間,即“一秒鐘”的定義足夠精確,才讓我們分辨出了最最微小的時間差別。

前面提到,銫?133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷時所輻射的電磁波(微波)的周期的9 192 631 770 倍就是一秒鐘,而以銫?133的躍遷頻率為基準,同樣能用葉軍團隊所用的鍶?87來做定義:

鍶?87原子在5s2 1S?和5s5p 3P?能級間躍遷時所輻射的電磁波(可見光)的周期的429 228 004 229 873.4倍的時間,便是一秒鐘。

這看起來更加復雜,但你無需過多糾結,只需要知道,原子中的電子在不同能級之間躍遷時會釋放出電磁波,電磁波的頻率只和躍遷初末態(tài)的能級有關,它極為穩(wěn)定,因此便成了物理學家用來計時的首選。

電子在不同能級前躍遷時會釋放出一定頻率(能量)的電磁波

(圖片來源:維基百科)

而當計時裝置所用的原子在躍遷時釋放的電磁波在微波波段時,便是原子鐘(atomic clock);當躍遷釋放的電磁波在可見光波段時,便是光鐘(optical clock)。

理論上來說,光鐘比原子鐘更為精確,因為前者釋放的電磁波具有更高的頻率,更窄的線寬。

高頻則意味著可以在單位時間內(nèi)測出更多的周期,從而能更精確地得出單個周期的用時。窄線寬則意味著頻率的不確定度更小,進一步提升了所定義時間的精度。

周期(Period)、頻率(Frequency)、線寬(Bandwidth)的示意

如此看來,即便是同為量子尺度下的時鐘,也存在著表現(xiàn)的不同,更別提磁場、溫度、震動等外界因素會放大這種不同。

那么,是否存在更為穩(wěn)定的、對外界更不敏感的、能把“一秒鐘”定義的更加精確的工具?

有!那便是核鐘。

核鐘到底是什么原理?

早在1996年,俄羅斯物理學家Eugene V. Tkalya就提出了將“核激發(fā)”作為計時用的高穩(wěn)定光源的想法。

所謂“核激發(fā)”,類似于核外電子在吸收能量后躍遷至更高能級,使原子處于激發(fā)態(tài)的過程,原子核自身在吸收特定的能量后,也有可能處于更高能量的狀態(tài)。

核外電子受激躍遷過程

(圖片來源:羅切斯特大學)

同樣的,原子核在受激躍遷的過程中,也會輻射出一定能量的電磁波。

既然原子的受激輻射能做原子鐘、光鐘,原子核的受激輻射為什么不能做“核鐘”呢?

基于這樣的想法,科學家們便研究起了核鐘的可行性。慢慢地,他們發(fā)現(xiàn),不同于原子鐘和光鐘常用銫?133和鍶?87,想要造核鐘,(目前)只有釷?229原子核才行。

因為除了它,其他原子核在不同能級間的躍遷能量太高,導致輻射出的電磁波頻率太高,無法被測量以用于計時。

而本文開頭所說的、葉軍團隊論文中的“釷?229m異構體”,便是釷?229原子核的一種激發(fā)態(tài),其與基態(tài)間的能級差約為8.3557eV,對應輻射出的電磁波處于紫外波段。

釷?229原子核的最低能級差

(圖片來源:Physics網(wǎng))

這與原子鐘和光鐘內(nèi)的輻射電磁波相比,頻率更高,但又幸運地在儀器可測量的范圍內(nèi)。因此,從理論上來說,若用它來計時,將能達到更高的精度。

此外,相比于原子中的核外電子,原子核本身受磁場、熱輻射等外部因素的干擾更小,這就像一個在風雨天打傘的人,當一陣風吹來(外部擾動),傘(電子)的晃動程度一定比人(原子核)大。

原子鐘受到熱輻射(紅色光束)后出現(xiàn)計時誤差(頻率變化)

(圖片來源:德國國家計量研究所)

因此,與原子鐘和光鐘(需要置于真空和近乎絕對零度的超低溫環(huán)境)相比,核鐘對環(huán)境的要求更低,也更具穩(wěn)定性。

行文至此,我們已經(jīng)知道了核鐘在精密測量領域的重要價值。但話又說回來,它到底有多強呢?

理論上來說,它的精度能達到10?1?的水平,比目前最好的光鐘精確約10倍。

什么概念呢?3000億年不差一秒!

重大突破:核鐘,終于要來了嗎?

在葉軍團隊的實驗中,釷?229被摻雜在氟化鈣(CaF?)單晶體中,摻雜濃度為5×101?/cm3,這意味著,每立方厘米的晶體內(nèi),含有五百億億個釷?229原子。

為了激發(fā)釷?229原子,他們用真空紫外激光(VUV laser)照射該晶體,當其中出現(xiàn)熒光閃爍時,則意味著激發(fā)成功(進入釷?229m態(tài))。

之后,便是利用濾波片(過濾背景光)和光電倍增管收集輻射出的熒光光子,并對其頻率進行測量。

實驗裝置示意圖及實拍

(圖片來源:葉軍團隊論文)

整個實驗控制在151K,也就是約零下122℃的環(huán)境中。很明顯,這要比原子鐘和光鐘所需的絕對零度,也就是約零下273℃要容易操作得多。

最終,葉軍團隊測量出了釷?229核躍遷的輻射頻率——2 020 407 384 335(2) kHz,其與鍶-87原子躍遷的輻射頻率的比值——約為4.7。

這也就意味著,倘若仍然以銫?133的原子躍遷頻率為基準,但以釷?229核躍遷頻率來定義一秒鐘,則有:

釷?229原子核在釷?229m和釷?229基態(tài)間躍遷時所輻射的電磁波(紫外光)的周期的2 020 407 384 335 000倍的時間,便是一秒鐘!

當然啦,這個結果還存在不少誤差,不能被用于官方定義。但即便如此,相較以往,葉軍團隊也將核鐘的精度提高了約6個數(shù)量級,達到了10?12的水平。

因此,雖然我們還未抵達理論所預言的終點——正如《科學》雜志所言,葉軍團隊的成果有望將超精密核鐘帶入新時代,是“有望”,而不是“已經(jīng)”,且無論他未來能否受到諾獎的青睞——仍可謂是大步跨越!

尾聲

咱們家用的鐘表,哪怕兩天誤差1秒,也完全夠用了;北斗衛(wèi)星上的銣原子鐘,300萬年誤差1秒,也足夠精確了。

對于普通人來說,無論是核鐘、光鐘還是原子鐘,它們真的沒有任何區(qū)別。直到地球死去、星系崩塌,這個“表”還差不了一秒的目標,對于人生而言,好像一點都不重要。

的確,從夠用和功利的角度講,我們很難解釋再去追求更高精度的計時有什么實際意義。

這就像去回答“在1毫米的尺度上,驗證引力紅移有什么意義?”“利用(未來)核鐘的頻率穩(wěn)定性,去尋找暗物質(zhì)粒子有什么意義?”

我不想給出“等待未來應用”這種閃躲的回答。因為在我看來,研究它們,或者說研究數(shù)學、物理學中基本事實的最大意義,就是為了我們?nèi)祟愖陨恚瑸榱宋覀冋J知的——進化。

參考文獻:

1.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6

2.https://www.science.org/content/article/breakthrough-promises-new-era-ultraprecise-nuclear-clocks

3.https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7

4.https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock#Accuracy

5.https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_clock

6.https://arxiv.org/pdf/2109.12238

7.https://www.zhihu.com/question/666654065

8.https://arxiv.org/abs/2407.15924

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