新型原子鐘有望重新定義“千克”單位

我們使用的大多數單位，都是以精密的微觀測量為基礎的——比如1秒鐘的時間長度，就是用特定原子的某種規則振蕩來定義的。唯一的例外是質量的基本單位——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成的圓柱體定義的。當然，還有一定數量被認為是一模一樣的復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微的變化，這些金屬圓柱體的質量已經不再能夠精確保持一致了。

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

美國加利福尼亞大學伯克利分校的博士后研究員藍劭宇（Shau-Yu Lan）和他的同事，采用了一些先進技術，構建了一臺基于單個銫原子的原子鐘，這臺設備能夠將這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，在一個微觀質量的基礎上構建時鐘是可以做到的。此外，由于我們已經有了能夠拿來比對的精確時鐘，因此這項實驗還可以反向進行，在未來成為一種精確測量質量的方法。這一進展今天發表在《科學》雜志的科學快訊網站上。

直接測量細微的質量，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行質量測量的方法已經取得了一些進展。然而，就像原子鐘一樣。這些系統全都建立在一堆粒子及其相互作用的基礎之上。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，擁有一個基本的振蕩頻率。每種粒子都有一個特定的、正比于它們質量的頻率，被稱為康普頓頻率（Compton frequency）。

康普頓頻率相當之高：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），比實驗室里的實驗通常能夠測量的頻率高出太多。更重的粒子，比如質子，就會擁有更高的康普頓頻率，因為這個頻率與質量保持簡單的線性正比關系，如果一個粒子的質量翻倍，它的康普頓頻率也會翻倍。但這種頻率有一個巨大的優勢：它們基礎得不能再基礎了。康普頓頻率與粒子之間的任何相互作用都沒有關系，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。這臺設備向這個原子發射了兩束激光脈沖，原子從一束脈沖中吸收光子，再重新發射到第二束脈沖中。干涉儀通過改變脈沖的時長和其中包含的光子數量來控制這個原子作出何種反應。對這兩束激光脈沖發射時間之間的差異進行微調，就能產生一個新的頻率，就好像把兩種水波紋疊加在一起會產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，落到了實驗可測的范圍之內。以這個頻率為基礎，研究人員構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。加以改進的話，這類實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，這項實驗在概念上還可以完全翻轉過來，即利用原子干涉儀來測量單個粒子或原子的質量。如此一來，用可重復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驗，來測量某些自然界的物理常數，比如對所有量子物理學都非常重要的普朗克常數（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，比如慣性質量和引力質量之間是否等效。

在接受果殼網采訪時，藍劭宇表示，國際度量衡大會（CGPM）打算用普朗克常數來重新定義千克。目前在測量普朗克常數方面最被接受的實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量。藍劭宇說：“我們的實驗用時間測量微觀的質量，如果再加上另一組實驗，也就是計算一個千克的硅圓球體內有多少原子的阿伏伽德羅計劃（Avogadro Project），整個系統就可以用來定義千克。”

“目前這個方法定義千克的精確度已經比瓦特天平的精確度還好，”藍劭宇補充說，“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。”

新聞來源:        美國科學促進會（AAAS）

科學真的進步了，我們怎么做不了