圖片來源：quantamagazine
除了為我們提供最準(zhǔn)確的時(shí)間，一臺精密的原子時(shí)鐘還有哪些出人意料的應(yīng)用?答案是，成為一臺暗物質(zhì)探測器。通過探測原子躍遷頻率，一批科學(xué)家試圖用這類最小的探測器，找出暗物質(zhì)的蹤跡。
上世紀(jì)90年代末，在美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的JILA研究所，年輕的物理學(xué)家葉軍作出了一個(gè)極大影響他人生軌跡的決定：投身于開發(fā)全世界最精密的原子鐘。他花了不少精力去研究不同的原子，例如鎂原子、鈣原子和鋇原子，最終他選擇了性質(zhì)較為穩(wěn)定的鍶原子。之后，他開始搭建一個(gè)以合適頻率激發(fā)鍶原子的激光平臺，它的工作原理就像普通鐘表的振蕩器一樣。
但葉軍不知道的是，他設(shè)計(jì)的原子鐘同時(shí)也是一臺暗物質(zhì)探測器。2015年4月，他收到一封澳大利亞南威爾士大學(xué)物理學(xué)家Victor Flambaum的郵件，在郵件中Flambaum告訴葉軍，根據(jù)一些理論，暗物質(zhì)可能會略微改變物理定律常數(shù)，從而改變時(shí)鐘運(yùn)行速度。但由于暗物質(zhì)的影響非常微弱，一般的時(shí)鐘根本探測不到這一現(xiàn)象。葉軍開發(fā)的最新一代時(shí)鐘(精度比第一版提升了兩萬倍)是世界上為數(shù)不多的能夠探測這一極為細(xì)微現(xiàn)象的儀器之一。
現(xiàn)在，葉軍正通過世界上最不尋常的實(shí)驗(yàn)之一，搜尋暗物質(zhì)的蹤跡。科學(xué)家認(rèn)為宇宙中暗物質(zhì)的含量大約是普通物質(zhì)的5倍，但目前只能通過觀測它對天體的引力來推測其含量。通過精密測量原子鐘的頻率是否發(fā)生改變，研究者可以揭示暗物質(zhì)粒子和原子內(nèi)部組成之間的相互作用。這樣的發(fā)現(xiàn)很有可能會震驚物理學(xué)界。
葉軍是JILA研究所研究員、美國國家科學(xué)院院士
越來越多的物理學(xué)家認(rèn)為高能粒子對撞機(jī)并不是解決物理領(lǐng)域終極問題的唯一方案，F(xiàn)lambaum和葉軍就在其中。與對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)不同的是，他們利用精細(xì)控制下的原子和激光，去聆聽宇宙之弦發(fā)出的輕柔樂聲。盡管這樣的實(shí)驗(yàn)可能只需要占用一張桌子的面積，但物理學(xué)家正在證明，它們足以用來探測暗物質(zhì)、觀察相對論效應(yīng)、研究其他的基礎(chǔ)物理領(lǐng)域，甚至最終可以探測引力波和量子引力。
“人們總是問我，你覺得這樣的原子鐘有什么實(shí)際用途?GPS?他們通常會用很實(shí)際的眼光看待時(shí)鐘，”葉軍說，“對于我而言，時(shí)鐘最令人興奮的方面總是在于研究基礎(chǔ)物理。”
尋找alpha常數(shù)
故事要從一次令物理學(xué)界震驚的，對源自宇宙深處的光線的測量開始講起。在上世紀(jì)90年代末，F(xiàn)lambaum的同事，天體物理學(xué)家John Webb發(fā)現(xiàn)宇宙深處的一個(gè)星系傳來的光線頻率與理論預(yù)測不符。觀測結(jié)果表明，在Webb研究的這個(gè)星系中，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)(fine-structure constant)與在地球上的測量結(jié)果大不相同。
自從1916年Arnold Sommerfeld對氫原子的量子力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，(在此之前三年，尼爾斯·玻爾剛剛發(fā)表了突破性的原子核-電子模型)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)對于物理學(xué)家一直就是一個(gè)謎。Sommerfeld把這個(gè)常數(shù)叫做alpha，它表征了電磁相互作用的強(qiáng)度。電磁相互作用幾乎存在于日常生活中隨處可見的一切現(xiàn)象中，例如光、電、摩擦、燃燒，是物理學(xué)中的基本作用力之一。
盡管Sommerfeld對剛出現(xiàn)的量子理論做了很大的完善，他的理論中所包含的alpha常數(shù)仍然在接下來的一個(gè)世紀(jì)中困擾著物理學(xué)家。正如它的名字alpha所暗示的一樣，它亟待被修復(fù)或替代。對于物理學(xué)家來說，他們總是希望自己的理論是完備的，理論中出現(xiàn)一個(gè)看似隨機(jī)的常數(shù)確實(shí)是一個(gè)大問題。曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的美國物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼寫道：“所有優(yōu)秀的理論物理學(xué)家都在試圖探尋這個(gè)常數(shù)的意義。”
從保羅·狄拉克在1937年發(fā)表的論文開始，理論物理學(xué)家指出，alpha或者質(zhì)子/電子質(zhì)量比這樣的基本常數(shù)一旦發(fā)生改變，現(xiàn)代物理理論的基石（如相對論）將產(chǎn)生裂隙。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)最終變成了標(biāo)準(zhǔn)模型中20多個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)中的一個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)模型是目前最接近于在基礎(chǔ)層面上完整描述宇宙的理論。一個(gè)自身變化的“常數(shù)”可能暗示著在引力、電磁力、強(qiáng)相互作用和弱相互作用之外，還有第五種基本相互作用存在。換句話說，非定值的alpha可能是通向未知的一扇大門。
帶著這樣的期望，F(xiàn)lambaum幫助Webb分析了他得到的有可能帶來全新理論的結(jié)果。但是Flambaum知道如果沒有過硬的證據(jù)，物理學(xué)家不會接受alpha會改變的假說。他隨之想到，新一代基于電子躍遷的原子鐘或許可以提供他們所需的證據(jù)。與目前掌控著全球時(shí)間的微波時(shí)鐘相比，新一代的“光學(xué)時(shí)鐘”在一秒內(nèi)包含的波峰數(shù)量是前者的五萬倍。在幾年內(nèi)，可以用它測量出相當(dāng)精準(zhǔn)的alpha常數(shù)，可以與Webb從宇宙深處數(shù)十億年前的光線得到的alpha常數(shù)相媲美。
縮小限制范圍
從某種意義上說，原子是大自然創(chuàng)造的時(shí)鐘。每一次電子在原子不同能級間的躍遷(也被稱為量子躍遷)會發(fā)射或者吸收特定頻率的光。接近這個(gè)特定頻率的激光可以誘導(dǎo)原子發(fā)光，或者散射其他的激光。通過光子流來驅(qū)動(dòng)反饋信號，物理學(xué)家可以將激光鎖定在原子躍遷頻率。這樣得到的激光的波峰就是時(shí)鐘的“滴答聲”。
原子躍遷頻率由這個(gè)原子的電子和質(zhì)子之間的電磁相互作用所決定，而電磁相互作用的強(qiáng)度取決于alpha常數(shù)的大小。因此原子鐘也間接測量了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。確實(shí)，我們可以認(rèn)為整個(gè)宇宙的原子都在不斷地用自身的性質(zhì)來測量這個(gè)常數(shù)，我們所需要做的只是找到觀測它們的方法。
但是這樣的實(shí)驗(yàn)比想象中要難。要觀測alpha常數(shù)的變化，需要測量兩個(gè)原子鐘的頻率，因?yàn)橹粚σ粋€(gè)原子鐘測量得到的結(jié)果既可以解釋為alpha常數(shù)的變化，也可能是原子鐘自身或者環(huán)境的影響。相比之下，兩個(gè)原子鐘頻率的比值，是一個(gè)僅和alpha常數(shù)有關(guān)的無量綱量。
2004年，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的物理學(xué)家Ekkehard Peik率先邁出了一大步，他比較了光學(xué)鐿原子鐘和微波銫原子鐘的頻率。為了降低統(tǒng)計(jì)不確定度，Peik的團(tuán)隊(duì)測量了兩個(gè)原子鐘兩周之內(nèi)的平均頻率，并花了一年時(shí)間改進(jìn)它們，然后重新測量了頻率。數(shù)據(jù)顯示alpha常數(shù)的變化幅度不超過每年一千萬億分之二。這個(gè)限制仍然大約為Webb從遙遠(yuǎn)星系觀測得到的alpha常數(shù)變化幅度的兩倍。
2008年，在科羅拉多州博爾德的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究者將alpha常數(shù)的變化幅度再度縮小，為10-17，他們的方法是舍棄了精準(zhǔn)度較低的銫原子鐘，改為使用基于鋁和汞的光學(xué)原子鐘。這個(gè)實(shí)驗(yàn)對Webb的alpha常數(shù)出現(xiàn)變化的觀測結(jié)果是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。去年，Peik的團(tuán)隊(duì)把變化幅度進(jìn)一步縮小，基于對鐿離子鐘和鍶原子鐘的觀測，他們宣稱初步結(jié)果為10-18。
Flambaum說：“他們不會特別頻繁地發(fā)表自己的結(jié)果，但一旦發(fā)表，觀測結(jié)果的精度就會得到巨大提升。”
但在原子鐘課題組完成他們耗時(shí)極長的實(shí)驗(yàn)之前，F(xiàn)lambaum也不會僅僅是苦苦等待。他正忙于思考原子鐘和基本常數(shù)的其他用途。在2015年，他和另一位同事發(fā)表了一篇關(guān)于暗物質(zhì)如何使alpha常數(shù)產(chǎn)生偏移和波動(dòng)的論文。他也建議葉軍梳理之前收集的原子鐘數(shù)據(jù)，并嘗試在其中尋找暗物質(zhì)的蹤跡。
葉軍產(chǎn)生了一個(gè)新的想法。“我覺得你的提議可以進(jìn)一步改進(jìn)。”他對Flambaum說。
葉軍實(shí)驗(yàn)室的鍶原子鐘
另類暗物質(zhì)候選者
Flambaum并不是第一個(gè)提議用原子鐘來捕捉暗物質(zhì)蹤跡的人。2014年，兩位科學(xué)家意識到另一類原子鐘可以用來探索新物理定律——這類原子鐘已經(jīng)環(huán)繞地球超過20年。用于全球定位系統(tǒng)(GPS)的衛(wèi)星中內(nèi)含原子鐘，用于計(jì)算與地球上每一個(gè)點(diǎn)的距離。這種原子鐘采用微波計(jì)時(shí)，精度與實(shí)驗(yàn)室中有極高工藝水平的原子鐘相差了十萬倍。但是它們非常可靠，并且始終處于可啟用狀態(tài)。在1996年這些原子鐘的數(shù)據(jù)解密以后，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的地球科學(xué)家建立了接收器，來下載并且儲存它們得到的時(shí)間數(shù)據(jù);時(shí)間數(shù)據(jù)存在輕微的波動(dòng)，這可能是由于地殼的輕微振動(dòng)所引起的。
加拿大圓周理論物理研究所的物理學(xué)家Maxim Pospelov和內(nèi)華達(dá)大學(xué)的物理學(xué)家Andrei Derevianko提出用GPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來尋找暗物質(zhì)。雖然不少科學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)可能是至今沒有尋找到的弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMPS)，但它也可能由其他有弱相互作用的物質(zhì)組成。
有一種暗物質(zhì)假說包含了普遍存在的超輕量粒子，其質(zhì)量小于電子質(zhì)量的一百萬分之一。在宇宙大爆炸之后，這些存在于假說中的暗物質(zhì)粒子可能被凍結(jié)為團(tuán)塊狀、弦狀或墻狀。當(dāng)?shù)厍蜻M(jìn)入或離開與地球大小相當(dāng)?shù)陌滴镔|(zhì)團(tuán)時(shí)，暗物質(zhì)可能會對精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)產(chǎn)生輕微的影響，從而改變衛(wèi)星上原子鐘的頻率。時(shí)鐘突然的變化可能會像波一樣傳遍整個(gè)GPS系統(tǒng)。“目前這僅僅是一個(gè)猜測，”Pospelov承認(rèn)，“但是我們還沒有一個(gè)合適而且可靠的暗物質(zhì)模型。所以這個(gè)模型的提出或許是一件不錯(cuò)的事情。”
2017年秋天，Derevianko、Pospelov和他們的同事稱，他們在長達(dá)16年的GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)中還沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡——也就是計(jì)時(shí)的突然變化，這意味著“拓?fù)?rdquo;暗物質(zhì)理論的限制范圍縮小到一千至十萬分之一(取決于暗物質(zhì)團(tuán)塊理論上的尺寸)。
與此同時(shí)，圓周理論物理研究所的理論物理學(xué)家Asimina Arvanitaki在考慮探測另一類暗物質(zhì)候選者的可能性，它們是從試圖統(tǒng)一相對論和量子力學(xué)的理論中自然誕生的。這些理論中包含了著名的弦論，微小的、無自旋的“類伸縮子”粒子形成了在空間彌漫的場，進(jìn)而影響alpha常數(shù)等基本物理常數(shù)。Arvanitaki表示，因?yàn)檫@種粒子與正常物質(zhì)之間的相互作用非常微弱，它們可能是神秘的暗物質(zhì)的一個(gè)重要組成部分。
像其他粒子一樣，與伸縮子類似的暗物質(zhì)粒子與量子波有關(guān)。并且就像很多可以形成激光的粒子一樣，多達(dá)10100個(gè)暗物質(zhì)粒子的集合將會自然地形成一束能量巨大且協(xié)調(diào)的波，其頻率和振幅與粒子的質(zhì)量相關(guān)。原子能級以及原子鐘的振動(dòng)頻率將會在這種波的頻率附近輕微波動(dòng)。
不幸的是，弦論沒能計(jì)算出這個(gè)頻率。它可能是秒量級，年量級，或者介于它們之間。還好一種叫做傅里葉變換的數(shù)學(xué)技巧使分析雜亂無章的振動(dòng)信號成為可能。唯一的限制因素是時(shí)間：實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家同時(shí)進(jìn)行兩組原子鐘頻率測定實(shí)驗(yàn)，其持續(xù)時(shí)間時(shí)間越長，能尋找的頻率區(qū)間就越寬。“原則上任何擁有原子鐘的人都可以做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，“Arvanitaki說。
在Arvanitaki的論文發(fā)表于論文預(yù)印本網(wǎng)站arxiv.org幾周后，加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家Dmitry Budker告訴她，他正在試圖尋找從鏑原子電子躍遷數(shù)據(jù)中找到這個(gè)頻率的振動(dòng)。過了一段時(shí)間Budker發(fā)表了他的結(jié)果，他沒有觀測到這個(gè)特定頻率的振動(dòng)。這項(xiàng)研究將類伸縮子暗物質(zhì)和普通物質(zhì)相互作用的限制縮小到一萬分之一。不到兩年后，巴黎天文臺的一個(gè)課題組用他們測量銫原子鐘和銣原子鐘的數(shù)據(jù)把上述的相互作用限制范圍再次縮小了10倍。
實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家通常需要花費(fèi)數(shù)年來將理論精度提高一個(gè)數(shù)量級。10000倍的精度提升是一個(gè)很大的突破。“這個(gè)領(lǐng)域還有很多工作等待發(fā)掘，”Arvanitaki說，“你完全可以通過較為簡單的工作而取得重大突破。”
舊數(shù)據(jù)推動(dòng)新實(shí)驗(yàn)
上述科學(xué)家們的工作掀起了一股分析舊數(shù)據(jù)的浪潮。在David Hume之后，一位工作于NIST的物理學(xué)家在讀了Budker的論文并收到Flambaum同事的郵件后，開始分析他的實(shí)驗(yàn)室在21世紀(jì)初測量鋁-汞原子鐘的數(shù)據(jù)。他發(fā)現(xiàn)他已經(jīng)有了世界上用于驗(yàn)證類伸縮子暗物質(zhì)的最佳數(shù)據(jù)集。他目前忙于制作性能更好的新原子鐘，來測量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是否在過去的幾十年中產(chǎn)生變動(dòng)。這項(xiàng)測量很有可能在Peik最新結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高精度。
2015年收到Flambaum的郵件時(shí)，葉軍正在對課題組里的鍶原子鐘進(jìn)行進(jìn)一步完善，它將會在不久之后打破課題組之前保持的精度記錄。他對于探測暗物質(zhì)的提議非常感興趣，但是他也在提議中加入了自己的想法。原本的實(shí)驗(yàn)方案是將他課題組里的鍶原子鐘頻率與其他類型的原子鐘頻率進(jìn)行比較，他提出了替代實(shí)驗(yàn)方案，即比較鍶原子鐘頻率和組里用來穩(wěn)定激光的孔狀單晶硅直徑。葉軍解釋道，單晶硅中的孔本身就可以測量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化，因?yàn)榭字睆绞遣栔睆?原子直徑)的整數(shù)倍，而玻爾直徑受精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)影響。在2017年末，他啟動(dòng)了世界上首項(xiàng)搜尋類伸縮子暗物質(zhì)的精密實(shí)驗(yàn)。迄今為止他已經(jīng)收集了兩個(gè)月的數(shù)據(jù)，并且很有信心地認(rèn)為這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將會刷新目前已發(fā)表測量結(jié)果的精度。
目前用原子鐘尋找暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案層出不窮，葉軍希望通過課題組新建的原子鐘，他們可以探索其他關(guān)于暗物質(zhì)的假設(shè)，例如2015年Flambaum的郵件中提到的原子鐘計(jì)時(shí)中斷。Derevianko設(shè)想，將世界上精度最高的原子鐘通過光纜相互連接并同時(shí)運(yùn)行，他計(jì)算后認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案比GPS衛(wèi)星上的原子鐘測量精度高10000倍。在過去兩年間，倫敦、巴黎和布倫瑞克已經(jīng)建立了光纖網(wǎng)絡(luò)，但將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到歐洲之外還需要更發(fā)達(dá)的光纖和衛(wèi)星通信技術(shù)。Derevianko和Budker也在嘗試說服原子物理學(xué)家公開高精度的數(shù)據(jù)檔案數(shù)據(jù)，以便于驗(yàn)證層出不窮的新猜想。
物理學(xué)家認(rèn)為，在沒有一個(gè)令人滿意的理論存在的情況下，這種盡一切可能的方法是正確的策略。“我認(rèn)為研究者應(yīng)該窮盡任何可能有新發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域。”特拉華大學(xué)的理論物理學(xué)家Marianna Safronova說。但是原子鐘也會存在精度極限，因?yàn)槲锢韺W(xué)家已經(jīng)花費(fèi)幾十年的時(shí)間來完善原子鐘技術(shù)，從而更加精確地測量時(shí)間。“我們不會為了一些費(fèi)時(shí)費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)而建造一個(gè)超大型的新機(jī)器。”Peik說。
包括Peik在內(nèi)的數(shù)個(gè)課題組正在關(guān)注一種新提出的原子鐘，它不是基于電子能級躍遷，而是原子核內(nèi)的能級躍遷。大多數(shù)的原子核內(nèi)躍遷的頻率極高，但是幸運(yùn)的是，一種釷同位素的核內(nèi)躍遷頻率落在了激光所能達(dá)到的頻率范圍之內(nèi)。科學(xué)家尚不知道這個(gè)頻率的確切值，而且激光技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展。但是基于這種原理的原子鐘在理論上還是會比當(dāng)今世界上最好的光學(xué)原子鐘精確一個(gè)數(shù)量級。更加精確的原子鐘可能在探測引力波和驗(yàn)證量子引力理論等方面有潛在的應(yīng)用，葉軍表示。
確實(shí)，如Arvanitaki所說，這樣的原子鐘“將會是極精確的測量一切基本物理量的工具。”
原文鏈接：
https：//www.quantamagazine.org/ultra-accurate-clocks-lead-search-for-new-laws-of-physics-20180416/
