被遺忘的元素可以重新定義時間

很多事情可以在一秒鐘內發生，你可以遇到一個陌生人，咬你的手指，墜入愛河，入睡，打噴嚏。但第二種情況是什麼？它是否與我們認為的一樣精確？現在，用來告訴全球時間的最精確時鐘每3億年就有1秒誤差——所以，在恐龍時代開始計時的時鐘將不會在今天一秒之內消失，但是科學家認為我們可以做得更好。發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜誌上的一項新研究表明，他們正在尋找一種被忽視的稀土元素——鑥，該元素在元素周期表的底部積聚起了灰塵。

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在古代，一秒被定義為平均太陽日的一小部分(1/86400)，地球繞其軸旋轉24小時。但是地球的自轉會有輕微的變化，所以科學家們決定停止掃描天空來校準我們的時鐘和按比例縮小到原子水平，這是物質的無形的組成部分。1967年國際度量衡委員會(International Committee for Weights and Measures)定義了銫原子吸收足夠的能量來激發能量的時間——也就是說，它的電子從一個能級躍遷到另一個能級。為了實現這一目標，原子必須精確地使用9192631770個周期的微波輻射。

雖然這個數字看起來是隨機的，但它來自於測量微波的頻率，以使銫原子在早期的定義中達到1秒的平均值。據《科學美國人》報道，這些測量數據歷時近3年。目前，數以百計的銫原子鐘負責保持全球時間和控制GPS導航。但在過去的十年中，又出現了另一代原子鐘，被稱為「光學鍾」，它們的精確度是銫的100倍。新時鐘的工作原理與銫原子鐘完全相同，只不過它們使用的是鋁或鐿等原子，它們會因可見光的高頻(因此得名「光學」)而不是較慢的微波而興奮。這種更高的頻率增加了更多的數據指向「秒」的定義，使測量更加精確。

新加坡國立大學(National University of Singapore)的副教授、這項新研究的主要作者默里巴雷特(Murray Barrett)說：要理解這一點，可以想像一下不同類型的鐘是一對尺子。如果舊的「銫」尺子測量一條長20厘米(7.9英寸)的線，那麼「光學」標尺就可以測量這條線，比如200毫米。雖然光學時鐘非常精確，讓它們運行很長一段時間，並且在它們的環境中保持穩定是有問題的，一個房間的溫度可以改變原子上的電磁場，進而影響時間的測量。所以銫鐘在實現上仍然比(新的)光學時鐘更可靠。

製造不那麼靈敏的原子鐘

在他們的新研究中，巴雷特和他的研究小組發現，與其他用於光學時鐘的元素相比，鑥離子對環境溫度的變化不那麼敏感，這使得它成為一個強有力的候選人，可以作為時間的主人。研究小組發現，鑥原子還能幫助彌補另一個影響時間測量的問題。由於這些時鐘所使用的原子是帶電的，它們會在波(可見光、微波等)所產生的電磁場的響應中來回擺動，這可能會影響時間的測量。科學家稱這種快速向後和向前移動為「微移」。因為科學家必須對這種轉變進行補償，所以要研製出一種以上的原子鐘是非常困難的，這將使這種鍾更加實用。

研究人員約翰·p·洛(John P. Lowe)、羅伯特·e·德魯林格(Robert E. Drullinger)和項目負責人戴維·j·格雷(David J. Glaze)(從左到右)站在一個名為「NIST-7」的銫原子鐘旁邊。這個時鐘由美國國家標準與技術研究所(National Institute of Standards and Technology)負責，從1993年到1999年，負責美國的時間，但後來被更精確的銫鐘取代。圖片：National Institute of Standards and Technology

但研究小組發現，可以在某種類型的鑥離子中使用一種自然屬性，以抵消這些「微轉移」。巴黎天文台的物理學家Jerome Lodewyck說：然而，這是有代價的：這些原子對房間的溫度變得更加敏感，這種權衡可能會限制新發現的影響，而原子鑥可能不會成為「真正的遊戲規則改變者」。但是，這一「高質量的工作」將另一種可能的原子物種添加到一長串的計時員候選名單中，這是一種「計量學家的財富」，用來比較不同的時鐘。

超越時間

儘管巴雷特說，鑥「非常有希望」，但他並不認為用光學時鐘來重新定義第二種方法是一件很困難的事情，因為銫鐘在讓我們到達需要的地方時做得很好。但是，高度精密的光學時鐘可能會允許新的應用程序「用我們現有的技術根本不可能實現。例如，根據阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，時鐘對它們在世界上的位置很敏感，因為時間被引力扭曲了。現在，地球上的原子鐘無法探測到由於地球引力而產生的微小的時間扭曲。但是，如果研究人員能夠在世界各地放置高度精確的光學時鐘，這一設置將有助於研究人員繪製出地球的引力場。

進一步說，高度精確的原子鐘能夠探測到我們可能還看不到的物質和能量。這可能包括暗物質，它會產生引力，但不會與普通的光和暗能量相互作用，而暗能量似乎正在加速宇宙的膨脹。這就是它的工作原理：如果知道在一秒鐘內激活某些原子所需的頻率，就可以利用世界各地的各種時鐘來檢測出超出通常預期的任何差異。「有一些理論認為暗物質就在我們周圍，所以如果我們穿過一大塊暗物質，這將擾亂時鐘。現在甚至可能有我們想不到的應用程序，當我們開始為船舶導航開發時鐘的時候，我們從來沒有想像過有人能夠四處走動，確切地知道他們在一個大城市裡的位置。

博科園-科學科普｜文：Yasemin Saplakoglu/Live Science

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