只用一隻時鐘，就能找到暗物質粒子、撬動現代物理的基石？

圖片來源：quantamagazine

除了為我們提供最準確的時間，一台精密的原子時鐘還有哪些出人意料的應用？答案是，成為一台暗物質探測器。通過探測原子躍遷頻率，一批科學家試圖用這類最小的探測器，找出暗物質的蹤跡。

撰文 | Gabriel Popkin

翻譯 | 李昌浩

審校 | 吳非

上世紀90年代末，在美國科羅拉多大學博爾德分校的JILA研究所，年輕的物理學家葉軍作出了一個極大影響他人生軌跡的決定：投身於開發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，最終他選擇了性質較為穩定的鍶原子。之後，他開始搭建一個以合適頻率激發鍶原子的激光平台，它的工作原理就像普通鐘錶的振蕩器一樣。

但葉軍不知道的是，他設計的原子鐘同時也是一台暗物質探測器。2015年4月，他收到一封澳大利亞南威爾士大學物理學家Victor Flambaum的郵件，在郵件中Flambaum告訴葉軍，根據一些理論，暗物質可能會略微改變物理定律常數，從而改變時鐘運行速度。但由於暗物質的影響非常微弱，一般的時鐘根本探測不到這一現象。葉軍開發的最新一代時鐘（精度比第一版提升了兩萬倍）是世界上為數不多的能夠探測這一極為細微現象的儀器之一。

現在，葉軍正通過世界上最不尋常的實驗之一，搜尋暗物質的蹤跡。科學家認為宇宙中暗物質的含量大約是普通物質的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生改變，研究者可以揭示暗物質粒子和原子內部組成之間的相互作用。這樣的發現很有可能會震驚物理學界。

葉軍是JILA研究所研究員、美國國家科學院院士

越來越多的物理學家認為高能粒子對撞機並不是解決物理領域終極問題的唯一方案，Flambaum和葉軍就在其中。與對撞機實驗不同的是，他們利用精細控制下的原子和激光，去聆聽宇宙之弦發出的輕柔樂聲。儘管這樣的實驗可能只需要佔用一張桌子的面積，但物理學家正在證明，它們足以用來探測暗物質、觀察相對論效應、研究其他的基礎物理領域，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麼實際用途？GPS？他們通常會用很實際的眼光看待時鐘，」葉軍說，「對於我而言，時鐘最令人興奮的方面總是在於研究基礎物理。」

尋找alpha常數

故事要從一次令物理學界震驚的，對源自宇宙深處的光線的測量開始講起。在上世紀90年代末，Flambaum的同事，天體物理學家John Webb發現宇宙深處的一個星系傳來的光線頻率與理論預測不符。觀測結果表明，在Webb研究的這個星系中，精細結構常數（fine-structure constant）與在地球上的測量結果大不相同。

自從1916年Arnold Sommerfeld對氫原子的量子力學結構進行分析後，（在此之前三年，尼爾斯·玻爾剛剛發表了突破性的原子核-電子模型）精細結構常數對於物理學家一直就是一個謎。Sommerfeld把這個常數叫做alpha，它表徵了電磁相互作用的強度。電磁相互作用幾乎存在於日常生活中隨處可見的一切現象中，例如光、電、摩擦、燃燒，是物理學中的基本作用力之一。

儘管Sommerfeld對剛出現的量子理論做了很大的完善，他的理論中所包含的alpha常數仍然在接下來的一個世紀中困擾著物理學家。正如它的名字alpha所暗示的一樣，它亟待被修復或替代。對於物理學家來說，他們總是希望自己的理論是完備的，理論中出現一個看似隨機的常數確實是一個大問題。曾獲得諾貝爾物理學獎的美國物理學家理查德·費曼寫道：「所有優秀的理論物理學家都在試圖探尋這個常數的意義。」

從保羅·狄拉克在1937年發表的論文開始，理論物理學家指出，alpha或者質子/電子質量比這樣的基本常數一旦發生改變，現代物理理論的基石（如相對論）將產生裂隙。精細結構常數最終變成了標準模型中20多個經驗常數中的一個。標準模型是目前最接近於在基礎層面上完整描述宇宙的理論。一個自身變化的「常數」可能暗示著在引力、電磁力、強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，Flambaum幫助Webb分析了他得到的有可能帶來全新理論的結果。但是Flambaum知道如果沒有過硬的證據，物理學家不會接受alpha會改變的假說。他隨之想到，新一代基於電子躍遷的原子鐘或許可以提供他們所需的證據。與目前掌控著全球時間的微波時鐘相比，新一代的「光學時鐘」在一秒內包含的波峰數量是前者的五萬倍。在幾年內，可以用它測量出相當精準的alpha常數，可以與Webb從宇宙深處數十億年前的光線得到的alpha常數相媲美。

縮小限制範圍

從某種意義上說，原子是大自然創造的時鐘。每一次電子在原子不同能級間的躍遷（也被稱為量子躍遷）會發射或者吸收特定頻率的光。接近這個特定頻率的激光可以誘導原子發光，或者散射其他的激光。通過光子流來驅動反饋信號，物理學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鐘的「滴答聲」。

原子躍遷頻率由這個原子的電子和質子之間的電磁相互作用所決定，而電磁相互作用的強度取決於alpha常數的大小。因此原子鐘也間接測量了精細結構常數。確實，我們可以認為整個宇宙的原子都在不斷地用自身的性質來測量這個常數，我們所需要做的只是找到觀測它們的方法。

但是這樣的實驗比想像中要難。要觀測alpha常數的變化，需要測量兩個原子鐘的頻率，因為只對一個原子鐘測量得到的結果既可以解釋為alpha常數的變化，也可能是原子鐘自身或者環境的影響。相比之下，兩個原子鐘頻率的比值，是一個僅和alpha常數有關的無量綱量。

2004年，德國聯邦物理技術研究院的物理學家Ekkehard Peik率先邁出了一大步，他比較了光學鐿原子鐘和微波銫原子鐘的頻率。為了降低統計不確定度，Peik的團隊測量了兩個原子鐘兩周之內的平均頻率，並花了一年時間改進它們，然後重新測量了頻率。數據顯示alpha常數的變化幅度不超過每年一千萬億分之二。這個限制仍然大約為Webb從遙遠星系觀測得到的alpha常數變化幅度的兩倍。

2008年，在科羅拉多州博爾德的美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究者將alpha常數的變化幅度再度縮小，為10-17，他們的方法是捨棄了精準度較低的銫原子鐘，改為使用基於鋁和汞的光學原子鐘。這個實驗對Webb的alpha常數出現變化的觀測結果是一個很大的挑戰。去年，Peik的團隊把變化幅度進一步縮小，基於對鐿離子鍾和鍶原子鐘的觀測，他們宣稱初步結果為10-18。

Flambaum說：「他們不會特別頻繁地發表自己的結果，但一旦發表，觀測結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極長的實驗之前，Flambaum也不會僅僅是苦苦等待。他正忙于思考原子鐘和基本常數的其他用途。在2015年，他和另一位同事發表了一篇關於暗物質如何使alpha常數產生偏移和波動的論文。他也建議葉軍梳理之前收集的原子鐘數據，並嘗試在其中尋找暗物質的蹤跡。

葉軍產生了一個新的想法。「我覺得你的提議可以進一步改進。」他對Flambaum說。

葉軍實驗室的鍶原子鐘

另類暗物質候選者

Flambaum並不是第一個提議用原子鐘來捕捉暗物質蹤跡的人。2014年，兩位科學家意識到另一類原子鐘可以用來探索新物理定律——這類原子鐘已經環繞地球超過20年。用於全球定位系統（GPS）的衛星中內含原子鐘，用於計算與地球上每一個點的距離。這種原子鐘採用微波計時，精度與實驗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，並且始終處於可啟用狀態。在1996年這些原子鐘的數據解密以後，NASA噴氣推進實驗室的地球科學家建立了接收器，來下載並且儲存它們得到的時間數據；時間數據存在輕微的波動，這可能是由於地殼的輕微振動所引起的。

加拿大圓周理論物理研究所的物理學家Maxim Pospelov和內華達大學的物理學家Andrei Derevianko提出用GPS系統的數據來尋找暗物質。雖然不少科學家認為暗物質可能是至今沒有尋找到的弱相互作用大質量粒子（WIMPS），但它也可能由其他有弱相互作用的物質組成。

有一種暗物質假說包含了普遍存在的超輕量粒子，其質量小於電子質量的一百萬分之一。在宇宙大爆炸之後，這些存在於假說中的暗物質粒子可能被凍結為團塊狀、弦狀或牆狀。當地球進入或離開與地球大小相當的暗物質團時，暗物質可能會對精細結構常數產生輕微的影響，從而改變衛星上原子鐘的頻率。時鐘突然的變化可能會像波一樣傳遍整個GPS系統。「目前這僅僅是一個猜測，」Pospelov承認，「但是我們還沒有一個合適而且可靠的暗物質模型。所以這個模型的提出或許是一件不錯的事情。」

2017年秋天，Derevianko、Pospelov和他們的同事稱，他們在長達16年的GPS系統數據中還沒有發現暗物質的蹤跡——也就是計時的突然變化，這意味著「拓撲」暗物質理論的限制範圍縮小到一千至十萬分之一（取決於暗物質團塊理論上的尺寸）。

與此同時，圓周理論物理研究所的理論物理學家Asimina Arvanitaki在考慮探測另一類暗物質候選者的可能性，它們是從試圖統一相對論和量子力學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」粒子形成了在空間瀰漫的場，進而影響alpha常數等基本物理常數。Arvanitaki表示，因為這種粒子與正常物質之間的相互作用非常微弱，它們可能是神秘的暗物質的一個重要組成部分。

像其他粒子一樣，與伸縮子類似的暗物質粒子與量子波有關。並且就像很多可以形成激光的粒子一樣，多達10100個暗物質粒子的集合將會自然地形成一束能量巨大且協調的波，其頻率和振幅與粒子的質量相關。原子能級以及原子鐘的振動頻率將會在這種波的頻率附近輕微波動。

不幸的是，弦論沒能計算出這個頻率。它可能是秒量級，年量級，或者介於它們之間。還好一種叫做傅里葉變換的數學技巧使分析雜亂無章的振動信號成為可能。唯一的限制因素是時間：實驗物理學家同時進行兩組原子鐘頻率測定實驗，其持續時間時間越長，能尋找的頻率區間就越寬。「原則上任何擁有原子鐘的人都可以做這個實驗，「Arvanitaki說。

在Arvanitaki的論文發表於論文預印本網站arxiv.org幾周後，加州大學伯克利分校的物理學家Dmitry Budker告訴她，他正在試圖尋找從鏑原子電子躍遷數據中找到這個頻率的振動。過了一段時間Budker發表了他的結果，他沒有觀測到這個特定頻率的振動。這項研究將類伸縮子暗物質和普通物質相互作用的限制縮小到一萬分之一。不到兩年後，巴黎天文台的一個課題組用他們測量銫原子鐘和銣原子鐘的數據把上述的相互作用限制範圍再次縮小了10倍。

實驗物理學家通常需要花費數年來將理論精度提高一個數量級。10000倍的精度提升是一個很大的突破。「這個領域還有很多工作等待發掘，」Arvanitaki說，「你完全可以通過較為簡單的工作而取得重大突破。」

舊數據推動新實驗

上述科學家們的工作掀起了一股分析舊數據的浪潮。在David Hume之後，一位工作於NIST的物理學家在讀了Budker的論文並收到Flambaum同事的郵件後，開始分析他的實驗室在21世紀初測量鋁-汞原子鐘的數據。他發現他已經有了世界上用於驗證類伸縮子暗物質的最佳數據集。他目前忙於製作性能更好的新原子鐘，來測量精細結構常數是否在過去的幾十年中產生變動。這項測量很有可能在Peik最新結果的基礎上進一步提高精度。

2015年收到Flambaum的郵件時，葉軍正在對課題組裡的鍶原子鐘進行進一步完善，它將會在不久之後打破課題組之前保持的精度記錄。他對於探測暗物質的提議非常感興趣，但是他也在提議中加入了自己的想法。原本的實驗方案是將他課題組裡的鍶原子鐘頻率與其他類型的原子鐘頻率進行比較，他提出了替代實驗方案，即比較鍶原子鐘頻率和組裡用來穩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結構常數的變化，因為孔直徑是玻爾直徑（原子直徑）的整數倍，而玻爾直徑受精細結構常數影響。在2017年末，他啟動了世界上首項搜尋類伸縮子暗物質的精密實驗。迄今為止他已經收集了兩個月的數據，並且很有信心地認為這項實驗將會刷新目前已發表測量結果的精度。

目前用原子鐘尋找暗物質的實驗方案層出不窮，葉軍希望通過課題組新建的原子鐘，他們可以探索其他關於暗物質的假設，例如2015年Flambaum的郵件中提到的原子鐘計時中斷。Derevianko設想，將世界上精度最高的原子鐘通過光纜相互連接並同時運行，他計算後認為這個實驗方案比GPS衛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建立了光纖網路，但將網路擴展到歐洲之外還需要更發達的光纖和衛星通信技術。Derevianko和Budker也在嘗試說服原子物理學家公開高精度的數據檔案數據，以便於驗證層出不窮的新猜想。

物理學家認為，在沒有一個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。「我認為研究者應該窮盡任何可能有新發現的領域。」特拉華大學的理論物理學家Marianna Safronova說。但是原子鐘也會存在精度極限，因為物理學家已經花費幾十年的時間來完善原子鐘技術，從而更加精確地測量時間。「我們不會為了一些費時費力的實驗而建造一個超大型的新機器。」Peik說。

包括Peik在內的數個課題組正在關注一種新提出的原子鐘，它不是基於電子能級躍遷，而是原子核內的能級躍遷。大多數的原子核內躍遷的頻率極高，但是幸運的是，一種釷同位素的核內躍遷頻率落在了激光所能達到的頻率範圍之內。科學家尚不知道這個頻率的確切值，而且激光技術需要進一步發展。但是基於這種原理的原子鐘在理論上還是會比當今世界上最好的光學原子鐘精確一個數量級。更加精確的原子鐘可能在探測引力波和驗證量子引力理論等方面有潛在的應用，葉軍表示。

確實，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。」

https://www.quantamagazine.org/ultra-accurate-clocks-lead-search-for-new-laws-of-physics-20180416/

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