【量子物理】原子測重時鐘

■ 物理學家表示，現在有一種新的時鐘，藉由測量物質最小組成份子的重量來進行計時。把質量跟時間串在一起這項技術，竟然可以用量子力學的方式，重新定義一公斤有多重。

編譯│高英哲

勞力士錶當然是很棒啦，不過這個時鐘才是真正的優雅之作。物理學家說現在有一種新的時鐘，藉由測量物質最小組成份子的重量來進行計時。跟運作原理不同的標準原子鐘相較之下，這種新時鐘的計時效果實在不怎樣；不過把質量跟時間串在一起之後，這套技法竟然可以用量子力學的方式，重新定義一公斤有多重。

「這項超棒的實驗顯示，重新定義公斤之路已然開啓。」由科羅拉多大學跟美國國家標準與技術研究所共同營運的 JILA 實驗室物理學家約翰．霍爾 (John Hall) 說。

標準原子鐘的優點在於，一顆原子在其內部結構從某個「量子態」跳躍到另一個時，能夠吸收像是光之類的電磁輻射的某些頻率。原子鐘的原理基本上就是把原子暴露在這個頻率的輻射下，做為時鐘的「滴答聲」。為官方世界時間計時的原子鐘，準確度達到一京（一萬兆）分之三，所以即使過了一億年，也差不到一秒鐘。

加州大學柏克萊分校物理學家霍格．繆勒 (Holger Müller) 說，你當然能夠用不一樣的方法來計時。任何大質量粒子都必須用一個上下振盪的量子波來加以描述，即使那個粒子只是在原地不動也一樣。原子愈重，上下振盪拍動的所謂康普頓頻率 (Compton frequency) 就愈高。就原理來說，量子振盪也能夠拿來計時。

不過實際上，一個原子的康普頓頻率實在太高，每秒高達一秭（一兆兆）次循環，任何電子計數器都無法加以測量。因此繆勒跟他的學生藍劭宇等人想出一種辦法，在探討愛因斯坦相對論的實驗中，追蹤原子的康普頓頻率。他們將研究結果發表於今年一月的《科學》期刊上。

研究者先讓一團銫原子穿透空間，往一座偵測器掉落，這些原子在途中碰到兩道相對發射，頻率略有不同的雷射脈衝，會輕輕地推動這些原子，但不會使其內部結構改變。這兩道脈衝會把這團銫原子一分為二，其中一半一如往常般掉落，另一半則從前面那一半被推開，然後再被推回去迎頭趕上。

這時就是相對論上場的時候了：就沒有被推動的前半團原子來說，後半團的原子先是遠離，然後又跑了回來。因為後半團每秒會移動個幾公分，根據愛因斯坦的狹義相對論預測，奇怪的時間擴張現象會使其看似有那麼一點點慢了下來，結果就是後半團的量子波，比起前半團的振盪頻率會來得低一點。

當這兩團原子重新結合時，振盪頻率的差異會影響到他們交疊跟「干涉」的情況。如果研究者把這兩道雷射的頻率差調到剛剛好的話，重新結合的量子波會「有建設性地」產生干涉，這團原子就會落到偵測器上。在這種情況下，只要用一條方程式就可把能夠當成時鐘滴答聲的「頻率差」，跟原子的康普頓頻率，以及頻率低得多的兩道雷射平均頻率，它們之間的關係串聯在一起。

這幾乎就是研究者想要的結果，只不過多了討厭的雷射平均頻率攪局而已。只要這個頻率依然是個獨立輸入變數，這整套系統就得倚賴時鐘用來設定時間的東西，而不是一個可以獨立運作的時鐘。為了解決這個問題，研究者使用一套叫做「光頻梳」 (frequency comb) 的精巧回饋系統，用已知的不同頻率倍數來修正雷射平均頻率。這麼一來雷射平均頻率就從方程式裡去除了，只剩下頻率差是已知康普頓頻率的幾分之一的關係，單靠銫原子的質量就能設定時鐘的滴答速率。

由於參與研發光頻梳，在二〇〇五年獲頒諾貝爾物理學獎的霍爾說，這項實驗真是「一項絕技」。不過他說這招的精確度只到一億分之一而已，所以如果有人聲稱說這種時鐘能夠與原子鐘相匹敵，「簡直就像要你相信在加州哈菸草是合法的一樣可笑」。

霍爾說這套做法真正的價值，在於可以重新定義一公斤有多重。公斤是國際單位系統裡，最後一種由實體文物定義的物理單位，目前是由存放於法國賽佛爾國際度量衡局的一根鉑銥合金圓柱體加以定義。但是這根用作標準的圓柱體，幾十年來經過反覆清洗的結果，已經變得愈來愈輕。

測量康普頓頻率提供了另一種定義公斤的方式。研究者只需要定義康普頓頻率需要乘以多少，才能得到原子質量的蒲朗克常數就行了，這麼一來測量出一個原子的康普頓頻率，就能得到原子質量確實的公斤值。霍爾說事實上你可以把繆勒的實驗，當成是在既有的單位系統裡測量蒲朗克常數。他補充說巴黎高等師範學院的范斯華．畢拉班 (François Biraben) 領導的研究團隊，已經使用非常類似的技法，更精確地測量出一公斤有多重。

不過即便公斤可用這種方式重新定義，還是需要下些工夫，才能把結果應用到日常生活的宏觀尺度裡。「要從一顆原子那麼一丁點的質量，轉變成你能拿去超級市場，確保你買了一公斤的糖真的有一公斤重的工具，這中間還有很長一段路要走。」 JILA 的物理學家史蒂芬．康狄夫 (Steven Cundiff) 表示。一項叫做「亞佛加厥計畫」 (Avogadro Project) 的重新定義公斤方案，其研究者正試著做出一顆內含原子數剛好等於亞佛加厥常數的矽膠球體，藉此把實驗結果跟公斤串接起來。如果科學家能夠算出矽原子的質量，這些矽膠球體就能夠把原子質量轉變成宏觀尺度的工具。
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報導出處：New Type of Clock Keeps Time by Weighing Atoms

責任編輯：Nita Hsu