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一块石头也是一座时钟——物理学家提议用物质波测量时间

热度0票  浏览34次 时间:2013年1月26日 14:48
最简单、最基本的时钟是什么?答案是一个原子。最近,加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家证明,用一个原子的高频物质波足以测量时间。反过来,用高频物质波也可确定该物质是什么。这一研究也是对量子力学中波粒二象性的最基本证明。

  一个原子的“康普顿”钟

  自然界的物质都有波粒二象性,加利福尼亚大学伯克利分校副教授霍尔格·穆勒和同事利用这种物质特性,开发出一种最基本的测量时间的新方法:通过计算物质波的振动来判断时间。“基于此我们可以说,一块石头就是一座时钟。”穆勒说。他们的论文发表在1月11日的《科学》杂志上,详细论述了怎样用一个铯原子的物质波来判断时间。

  穆勒将这一时钟称为“康普顿钟”,因为它是基于物质波的“康普顿频率”。物质波频率也叫“德布罗意频率”。1924年,法国物理学家路易斯·德布罗意将爱因斯坦的质能转化方程(E=mc2)和厄恩斯特·普朗克提出的能量与频率有关的观点结合在一起,发表了他的博士论文,提出物质也可以被看作是一种波,由此而获得1929年的诺贝尔物理学奖。

  物质波的频率可能根本就无法观察;即使能观察到,也可能因其振动太快而无法测量。“物质波的振动频率比可见光振动频率要高100亿倍。”穆勒说。

  两年前,穆勒为了证明爱因斯坦的引力红移,即时间在引力场中会变慢,发明了一种原子干涉仪,能把原子作为各种波,以测量它们之间的干涉。

  相对来说,时间对于运动着的物体会变慢,所以在著名的“双生子悖论”里,两人中飞向遥远恒星并返回的那个会比留下来的更年轻。同样,一个向外运动然后返回的铯原子也会比留在原地的铯原子更“年轻”,也就是说,运动的铯原子的物质波振动的次数更少。一个铯原子的振动频率约为每秒3×1025次,运动的铯原子的振动频率与之相比每秒钟少大约10万次,这是可以测量出来的。这在实际中,就能作为一个时钟来用了。

  在新实验中,穆勒把原子干涉仪技术和另一种已知的技术结合,显示了怎样测出这种差异。他用激光照射铯原子,使其分别处于运动和固定状态,用原子干涉仪测量其物质波的相干性,由此就能测出振动频率的微小差异。

  “我们的时钟能精确到10亿分之7以内,这就像把8年的时间按秒来测量,其精确度就像60年前造的第一个铯原子钟。”穆勒说。

  和目前最精确的原子钟相比,穆勒的“康普顿钟”精确度要差1亿倍,但使用铝离子并进一步改良技术,能使康普顿钟的精确度提高到现在原子钟的水平。

  时间与物质的争论

  澳大利亚国立大学量子物理学家约翰·克鲁斯称这一成果为“优美的实验,灵巧的设计”。但他同时指出,这也可能带来一些争议,比如,“原子的康普顿频率能否称为时钟?霍尔格的观点很明确,它是一个钟。我也同意,因为它确实管用。”

  穆勒则表示他欢迎争议,因为他的实验涉及到量子力学的基本概念——物质的波粒二象性。克鲁斯说:“我们所讨论的是一些根本性的观念问题,这也将使人们对量子物理学有更深入理解。”

  穆勒说:“当我还很年轻时,读了许多科学书,就一直在思考时间为何会有微小的膨胀。从那时起,我就经常问自己,‘能测量时间的最简单事物是什么?能感知时间流逝的最简单系统是什么?’现在我们找到了这个问题的上限:一个物质粒子已足够。”

  但问题是,时间究竟是什么?穆勒认为至今还没人能给出这一问题的最终答案。“我们已经知道了更多有关时间的性质,当存在一个物质粒子时,时间才是物理性的,但时间又不依赖于物质粒子而存在。我们知道,无质量的粒子如光子,并不能算是完整的物质粒子。”

  “或许有一天,秒单位的定义会改为某种粒子的康普顿频率的振动次数。”穆勒说。国际度量衡大会正在考虑用更基本的单位替换“千克”标准,这一提议也提供了一种新思路。国际千克原器是一个铂—铱合金的圆柱体,原件密封在法国巴黎国际计量局的三层玻璃罩内,其复制件也只有少数国家才有。这种物质波技术也提供了一种新方法,让科学家们能造出自己的千克原器。

  用物质测量时间,还牵涉到许多基于时间的标准,比如制造“阿伏加德罗球”的硅晶体的纯度。这种球内部所含原子个数是一定的,所以必须造得极其精确。“用我们的钟和目前最好的阿伏加德罗球,将使新的千克定义达到最优。”穆勒说,“知道了时钟的振动频率,就等于知道了粒子是什么物质,而知道了物质是什么原子,也就能知道更多的相关信息了。”

  穆勒希望能把这一技术扩展到更小的粒子,比如电子或正电子,后者能造出反物质钟,直至有一天能用量子真空波动来判断时间。

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