二宗主

比原子鐘更精確的計(jì)時(shí)器

原子鐘，目前世界上最精確的計(jì)時(shí)裝置。它有多精確？如果讓它從宇宙大爆炸之初就開(kāi)始計(jì)時(shí)，一直走到今日，誤差也不會(huì)超過(guò)1秒！

原子鐘是利用電子的能量躍遷來(lái)計(jì)時(shí)的。根據(jù)量子物理學(xué)，原子中的電子在特定的能級(jí)上只能攜帶一定量的能量。為了使原子中的電子從一個(gè)能級(jí)到達(dá)另一個(gè)能級(jí)，必須用適當(dāng)頻率的激光照射原子。

就像原子中的電子一樣，原子核中的質(zhì)子和中子也占據(jù)著離散的能級(jí)，因此原子核中也有類似的能量躍遷。這種躍遷有望帶來(lái)一種比原子鐘更精確的計(jì)時(shí)裝置——核鐘。然而，建造核鐘是項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，因?yàn)橛^察這種核躍遷并精確地知道能級(jí)的能量差，是極其困難的。

理想的同位素：釷-229

核鐘的計(jì)時(shí)原理與原子鐘的非常相似，它是通過(guò)與原子核的兩個(gè)能級(jí)之間的能量差精確對(duì)應(yīng)的光波來(lái)誘發(fā)原子核的能量躍遷。但問(wèn)題是，對(duì)大多數(shù)原子核來(lái)說(shuō)，這種誘發(fā)需要比激光更高能的光照射才能實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有一種元素例外，那就是放射性同位素釷-229。

釷-229中有一對(duì)能量足夠接近的相鄰能級(jí)，其激發(fā)態(tài)的能量?jī)H比它的基態(tài)高8電子伏左右。這是非常微小的能量差異，用激光就可能激發(fā)能級(jí)躍遷。遺憾的是，物理學(xué)家還沒(méi)能制造出可以激發(fā)釷-229核躍遷的激光。一個(gè)主要原因是，他們并不知道這種核躍遷能量的確切值。

核躍遷的一個(gè)特征是發(fā)射光子，通過(guò)測(cè)量這個(gè)光子，可以精確地測(cè)得核躍遷的能量。但這個(gè)光子非常難以捕捉，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，釷發(fā)射一個(gè)電子的概率是發(fā)射一個(gè)光子的10億倍。

捉住那個(gè)光子

目前，在缺乏合適激光的情況下，物理學(xué)家主要采用的是通過(guò)鈾-233的α 衰變的放射性過(guò)程來(lái)激發(fā)釷-229的核躍遷，但這是一種非常低效的方法。為了更有效地激發(fā)釷-229，研究人員采用了一個(gè)不同的方式，即利用錒-229的β 衰變。

利用歐洲核子研究中心粒子物理實(shí)驗(yàn)室的ISOLDE 設(shè)備（同位素分離器），研究人員將含有鈁-229和鐳-229的同位素原子核束發(fā)射到氟化鈣和氟化鎂晶體上。鈁-229和鐳-229通過(guò)β 衰變產(chǎn)生錒-229原子核，接著錒-229也會(huì)經(jīng)歷β 衰變，成為放射性的釷-229。

釷-229會(huì)取代氟化鈣和氟化鎂晶體中的一些原子，并主要通過(guò)發(fā)射光子衰變到基態(tài)。這些晶體對(duì)核躍遷發(fā)射的光子來(lái)說(shuō)是透明的，換句話說(shuō)，被發(fā)射的光子可以不受干擾地離開(kāi)晶體，被探測(cè)器捕捉。

晶體的這種特質(zhì)可以產(chǎn)生能夠被觀測(cè)到的信號(hào)，使得研究人員有了捕捉這種光子的能力，并以足夠精確的方式對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。研究表明，他們能以不確定性僅為以前測(cè)量的1/7的精確度來(lái)確定光子的頻率。而這一頻率正是用于激發(fā)釷原子核躍遷所需的激光頻率。

核鐘的里程碑

這項(xiàng)工作對(duì)核鐘的發(fā)展來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的里程碑，標(biāo)志著科學(xué)家已經(jīng)對(duì)釷原子核的能級(jí)有了足夠了解。

現(xiàn)在，已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始嘗試建造可以激發(fā)核躍遷的激光。一旦成功，科學(xué)家將有望從新建成的核鐘中，獲知大量原子核的內(nèi)部運(yùn)作信息，甚至新的物理學(xué)效應(yīng)。

將這種核鐘與現(xiàn)有的原子鐘進(jìn)行比較，以便在量子領(lǐng)域或相對(duì)論中尋找新的物理效應(yīng)，這將是一件有趣的事情。在核尺度上起作用的力，如強(qiáng)力和弱力，與作用在原子鐘上的力不同，因此任何差異都可能暗示著新的物理學(xué)。如果能將原子核控制到這樣一個(gè)程度——可以看到光子的信號(hào)，那么這對(duì)考慮建造一個(gè)核鐘來(lái)說(shuō)，是一個(gè)重要的里程碑。

到那時(shí)， 核鐘的性能會(huì)超越現(xiàn)有的原子鐘嗎？這仍是一個(gè)沒(méi)有答案的問(wèn)題。隨著原子鐘精度的不斷提高，很可能會(huì)有一場(chǎng)計(jì)時(shí)器競(jìng)賽，而成敗可能就取決于能夠激發(fā)釷-229核躍遷的激光的發(fā)展。

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)“原理”