一块石头也是一座时钟——物理学家提议用物质波测量时间
2013年1月26日 14:48 作者:lunwenchina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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