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新型原子钟有望重新定义“千克”单位

Steed 2013-01-11 14:10:00
科学家测出了单个原子的物质波振荡频率，并以此为基础，构建了一台与原子质量相关的原子钟。这一进展或许能够用一种可重复的方式，更加精确地重新定义“千克”这一质量单位。


质量可以用来测量时间，反之亦然。图片来源：Pei-Chen Kuan/AAAS
我们使用的大多数单位，都是以精密的微观测量为基础的——比如1秒钟的时间长度，就是用特定原子的某种规则振荡来定义的。唯一的例外是质量的基本单位——千克，它是由保存在巴黎一个地下室中的一块由铂铱合金构成的圆柱体定义的。当然，还有一定数量被认为是一模一样的复制品分布在世界各地。问题在于，由于表面上日积月累的污垢和原子尺度上细微的变化，这些金属圆柱体的质量已经不再能够精确保持一致了。
基础物理学上的一个概念，或许可以解救千克的定义。根据量子物理学，所有物质都会表现出波动性质，按某种正比于物质质量的频率振荡——如果我们测量这种振荡，就能够得到质量。然而，可靠地测量这一频率是一项艰巨的挑战，因为就算是电子这样的低质量粒子，这一频率也高得惊人。
美国加利福尼亚大学伯克利分校的博士后研究员蓝劭宇（Shau-Yu Lan）和他的同事，采用了一些先进技术，构建了一台基于单个铯原子的原子钟，这台设备能够将这个原子超高的天然频率拆分成更容易测量的量。这一成果清楚地表明，在一个微观质量的基础上构建时钟是可以做到的。此外，由于我们已经有了能够拿来比对的精确时钟，因此这项实验还可以反向进行，在未来成为一种精确测量质量的方法。这一进展今天发表在《科学》杂志的科学快讯网站上。
直接测量细微的质量，从来不是一件简单的事情，不是把它们放在天平上就行的。利用碳纳米管等分子的振动进行质量测量的方法已经取得了一些进展。然而，就像原子钟一样。这些系统全都建立在一堆粒子及其相互作用的基础之上。这本身就会给测量精度带来天然的限制。尽管这些限制相当小，但是为了真正精确地定义1秒钟或1千克这样的基本单位，我们还必须做得更好。
单个粒子也拥有波动性质，拥有一个基本的振荡频率。每种粒子都有一个特定的、正比于它们质量的频率，被称为康普顿频率（Compton frequency）。
康普顿频率相当之高：对于一个电子而言，这个频率是1.23×10 20 赫兹，即1230亿吉赫（GHz），比实验室里的实验通常能够测量的频率高出太多。更重的粒子，比如质子，就会拥有更高的康普顿频率，因为这个频率与质量保持简单的线性正比关系，如果一个粒子的质量翻倍，它的康普顿频率也会翻倍。但这种频率有一个巨大的优势：它们基础得不能再基础了。康普顿频率与粒子之间的任何相互作用都没有关系，而且对于任何粒子，不论是原子、分子还是任何一个微观物体，都可以定义康普顿频率。
这些研究人员测出了一个铯原子的康普顿频率，方法是把这个铯原子囚禁在一台拉姆塞－博德干涉仪中。这台设备向这个原子发射了两束激光脉冲，原子从一束脉冲中吸收光子，再重新发射到第二束脉冲中。干涉仪通过改变脉冲的时长和其中包含的光子数量来控制这个原子作出何种反应。对这两束激光脉冲发射时间之间的差异进行微调，就能产生一个新的频率，就好像把两种水波纹叠加在一起会产生一个拥有不同频率的新水波纹一样。
在拉姆塞－博德干涉仪中，这种新的频率恰好是康普顿频率的一个分量，并且这个频率分量足够小，落到了实验可测的范围之内。以这个频率为基础，研究人员构建了一台只用到了单个原子的原子钟。尽管跟基于其他原理建造的现代原子钟相比，新原子钟的精度要差了许多，但它验证了一个重要的概念。加以改进的话，这类实验可以用来精确定义1秒的长度，比其他可能的定义方法更加精确，因为许多其他方法都依赖于一堆原子，而不是单个原子。
此外，这项实验在概念上还可以完全翻转过来，即利用原子干涉仪来测量单个粒子或原子的质量。如此一来，用可重复的方法来定义千克这个单位或许就变得可行了。有了这种方法在手，研究人员还提出了一些新的实验，来测量某些自然界的物理常数，比如对所有量子物理学都非常重要的普朗克常数（Planck's constant）。此外，他们还能用一种更灵敏的方式来检验一些基本原理，比如惯性质量和引力质量之间是否等效。
在接受果壳网采访时，蓝劭宇表示，国际度量衡大会（CGPM）打算用普朗克常数来重新定义千克。目前在测量普朗克常数方面最被接受的实验采用的是瓦特天平（Watt balance），这种方法测量的是宏观物体的质量。蓝劭宇说：“我们的实验用时间测量微观的质量，如果再加上另一组实验，也就是计算一个千克的硅圆球体内有多少原子的阿伏伽德罗计划（Avogadro Project），整个系统就可以用来定义千克。”
“目前这个方法定义千克的精确度已经比瓦特天平的精确度还好，”蓝劭宇补充说，“但是重新定义千克需要将很多因素列入考量，不仅仅是在精确度上。所以，这个方法提供了另一个定义千克的可能性。”