新型原子鐘有望重新定義“千克”單位

我們使用的大多數(shù)單位，都是以精密的微觀測量為基礎(chǔ)的——比如1秒鐘的時間長度，就是用特定原子的某種規(guī)則振蕩來定義的。唯一的例外是質(zhì)量的基本單位——千克，它是由保存在巴黎一個地下室中的一塊由鉑銥合金構(gòu)成的圓柱體定義的。當(dāng)然，還有一定數(shù)量被認(rèn)為是一模一樣的復(fù)制品分布在世界各地。問題在于，由于表面上日積月累的污垢和原子尺度上細(xì)微的變化，這些金屬圓柱體的質(zhì)量已經(jīng)不再能夠精確保持一致了。

基礎(chǔ)物理學(xué)上的一個概念，或許可以解救千克的定義。根據(jù)量子物理學(xué)，所有物質(zhì)都會表現(xiàn)出波動性質(zhì)，按某種正比于物質(zhì)質(zhì)量的頻率振蕩——如果我們測量這種振蕩，就能夠得到質(zhì)量。然而，可靠地測量這一頻率是一項艱巨的挑戰(zhàn)，因為就算是電子這樣的低質(zhì)量粒子，這一頻率也高得驚人。

美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的博士后研究員藍(lán)劭宇（Shau-Yu Lan）和他的同事，采用了一些先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了一臺基于單個銫原子的原子鐘，這臺設(shè)備能夠?qū)⑦@個原子超高的天然頻率拆分成更容易測量的量。這一成果清楚地表明，在一個微觀質(zhì)量的基礎(chǔ)上構(gòu)建時鐘是可以做到的。此外，由于我們已經(jīng)有了能夠拿來比對的精確時鐘，因此這項實(shí)驗還可以反向進(jìn)行，在未來成為一種精確測量質(zhì)量的方法。這一進(jìn)展今天發(fā)表在《科學(xué)》雜志的科學(xué)快訊網(wǎng)站上。

直接測量細(xì)微的質(zhì)量，從來不是一件簡單的事情，不是把它們放在天平上就行的。利用碳納米管等分子的振動進(jìn)行質(zhì)量測量的方法已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。然而，就像原子鐘一樣。這些系統(tǒng)全都建立在一堆粒子及其相互作用的基礎(chǔ)之上。這本身就會給測量精度帶來天然的限制。盡管這些限制相當(dāng)小，但是為了真正精確地定義1秒鐘或1千克這樣的基本單位，我們還必須做得更好。

單個粒子也擁有波動性質(zhì)，擁有一個基本的振蕩頻率。每種粒子都有一個特定的、正比于它們質(zhì)量的頻率，被稱為康普頓頻率（Compton frequency）。

康普頓頻率相當(dāng)之高：對于一個電子而言，這個頻率是1.23×10^20 赫茲，即1230億吉赫（GHz），比實(shí)驗室里的實(shí)驗通常能夠測量的頻率高出太多。更重的粒子，比如質(zhì)子，就會擁有更高的康普頓頻率，因為這個頻率與質(zhì)量保持簡單的線性正比關(guān)系，如果一個粒子的質(zhì)量翻倍，它的康普頓頻率也會翻倍。但這種頻率有一個巨大的優(yōu)勢：它們基礎(chǔ)得不能再基礎(chǔ)了。康普頓頻率與粒子之間的任何相互作用都沒有關(guān)系，而且對于任何粒子，不論是原子、分子還是任何一個微觀物體，都可以定義康普頓頻率。

這些研究人員測出了一個銫原子的康普頓頻率，方法是把這個銫原子囚禁在一臺拉姆塞－博德干涉儀中。這臺設(shè)備向這個原子發(fā)射了兩束激光脈沖，原子從一束脈沖中吸收光子，再重新發(fā)射到第二束脈沖中。干涉儀通過改變脈沖的時長和其中包含的光子數(shù)量來控制這個原子作出何種反應(yīng)。對這兩束激光脈沖發(fā)射時間之間的差異進(jìn)行微調(diào)，就能產(chǎn)生一個新的頻率，就好像把兩種水波紋疊加在一起會產(chǎn)生一個擁有不同頻率的新水波紋一樣。

在拉姆塞－博德干涉儀中，這種新的頻率恰好是康普頓頻率的一個分量，并且這個頻率分量足夠小，落到了實(shí)驗可測的范圍之內(nèi)。以這個頻率為基礎(chǔ)，研究人員構(gòu)建了一臺只用到了單個原子的原子鐘。盡管跟基于其他原理建造的現(xiàn)代原子鐘相比，新原子鐘的精度要差了許多，但它驗證了一個重要的概念。加以改進(jìn)的話，這類實(shí)驗可以用來精確定義1秒的長度，比其他可能的定義方法更加精確，因為許多其他方法都依賴于一堆原子，而不是單個原子。

此外，這項實(shí)驗在概念上還可以完全翻轉(zhuǎn)過來，即利用原子干涉儀來測量單個粒子或原子的質(zhì)量。如此一來，用可重復(fù)的方法來定義千克這個單位或許就變得可行了。有了這種方法在手，研究人員還提出了一些新的實(shí)驗，來測量某些自然界的物理常數(shù)，比如對所有量子物理學(xué)都非常重要的普朗克常數(shù)（Planck's constant）。此外，他們還能用一種更靈敏的方式來檢驗一些基本原理，比如慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之間是否等效。

在接受果殼網(wǎng)采訪時，藍(lán)劭宇表示，國際度量衡大會（CGPM）打算用普朗克常數(shù)來重新定義千克。目前在測量普朗克常數(shù)方面最被接受的實(shí)驗采用的是瓦特天平（Watt balance），這種方法測量的是宏觀物體的質(zhì)量。藍(lán)劭宇說：“我們的實(shí)驗用時間測量微觀的質(zhì)量，如果再加上另一組實(shí)驗，也就是計算一個千克的硅圓球體內(nèi)有多少原子的阿伏伽德羅計劃（Avogadro Project），整個系統(tǒng)就可以用來定義千克?！?/p>

“目前這個方法定義千克的精確度已經(jīng)比瓦特天平的精確度還好，”藍(lán)劭宇補(bǔ)充說，“但是重新定義千克需要將很多因素列入考量，不僅僅是在精確度上。所以，這個方法提供了另一個定義千克的可能性?！?/p>

新聞來源:        美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）

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