只用时钟就能找到暗物质粒子、撬动现代物理的基石？

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　　除了为我们提供最准确的时间，一台精密的原子时钟还有哪些出人意料的应用？答案是，成为一台暗物质探测器。通过探测原子跃迁频率，一批科学家试图用这类最小的探测器，找出暗物质的踪迹。

　　撰文 | Gabriel Popkin

　　翻译 | 李昌浩

　　审校 | 吴非

　　上世纪90年代末，在美国科罗拉多大学博尔德分校的JILA研究所，年轻的物理学家叶军作出了一个极大影响他人生轨迹的决定：投身于开发全世界最精密的原子钟。他花了不少精力去研究不同的原子，例如镁原子、钙原子和钡原子，最终他选择了性质较为稳定的锶原子。之后，他开始搭建一个以合适频率激发锶原子的激光平台，它的工作原理就像普通钟表的振荡器一样。

　　但叶军不知道的是，他设计的原子钟同时也是一台暗物质探测器。2015年4月，他收到一封澳大利亚南威尔士大学物理学家Victor Flambaum的邮件，在邮件中Flambaum告诉叶军，根据一些理论，暗物质可能会略微改变物理定律常数，从而改变时钟运行速度。但由于暗物质的影响非常微弱，一般的时钟根本探测不到这一现象。叶军开发的最新一代时钟（精度比第一版提升了两万倍）是世界上为数不多的能够探测这一极为细微现象的仪器之一。

　　现在，叶军正通过世界上最不寻常的实验之一，搜寻暗物质的踪迹。科学家认为宇宙中暗物质的含量大约是普通物质的5倍，但目前只能通过观测它对天体的引力来推测其含量。通过精密测量原子钟的频率是否发生改变，研究者可以揭示暗物质粒子和原子内部组成之间的相互作用。这样的发现很有可能会震惊物理学界。

叶军是JILA研究所研究员、美国国家科学院院士

　　越来越多的物理学家认为高能粒子对撞机并不是解决物理领域终极问题的唯一方案，Flambaum和叶军就在其中。与对撞机实验不同的是，他们利用精细控制下的原子和激光，去聆听宇宙之弦发出的轻柔乐声。尽管这样的实验可能只需要占用一张桌子的面积，但物理学家正在证明，它们足以用来探测暗物质、观察相对论效应、研究其他的基础物理领域，甚至最终可以探测引力波和量子引力。

　　“人们总是问我，你觉得这样的原子钟有什么实际用途？GPS？他们通常会用很实际的眼光看待时钟，”叶军说，“对于我而言，时钟最令人兴奋的方面总是在于研究基础物理。”

　　寻找alpha常数

　　故事要从一次令物理学界震惊的，对源自宇宙深处的光线的测量开始讲起。在上世纪90年代末，Flambaum的同事，天体物理学家John Webb发现宇宙深处的一个星系传来的光线频率与理论预测不符。观测结果表明，在Webb研究的这个星系中，精细结构常数（fine-structure constant）与在地球上的测量结果大不相同。

　　自从1916年Arnold Sommerfeld对氢原子的量子力学结构进行分析后，（在此之前三年，尼尔斯·玻尔刚刚发表了突破性的原子核-电子模型）精细结构常数对于物理学家一直就是一个谜。Sommerfeld把这个常数叫做alpha，它表征了电磁相互作用的强度。电磁相互作用几乎存在于日常生活中随处可见的一切现象中，例如光、电、摩擦、燃烧，是物理学中的基本作用力之一。

　　尽管Sommerfeld对刚出现的量子理论做了很大的完善，他的理论中所包含的alpha常数仍然在接下来的一个世纪中困扰着物理学家。正如它的名字alpha所暗示的一样，它亟待被修复或替代。对于物理学家来说，他们总是希望自己的理论是完备的，理论中出现一个看似随机的常数确实是一个大问题。曾获得诺贝尔物理学奖的美国物理学家理查德·费曼写道：“所有优秀的理论物理学家都在试图探寻这个常数的意义。”

　　从保罗·狄拉克在1937年发表的论文开始，理论物理学家指出，alpha或者质子/电子质量比这样的基本常数一旦发生改变，现代物理理论的基石（如相对论）将产生裂隙。精细结构常数最终变成了标准模型中20多个经验常数中的一个。标准模型是目前最接近于在基础层面上完整描述宇宙的理论。一个自身变化的“常数”可能暗示着在引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用之外，还有第五种基本相互作用存在。换句话说，非定值的alpha可能是通向未知的一扇大门。

　　带着这样的期望，Flambaum帮助Webb分析了他得到的有可能带来全新理论的结果。但是Flambaum知道如果没有过硬的证据，物理学家不会接受alpha会改变的假说。他随之想到，新一代基于电子跃迁的原子钟或许可以提供他们所需的证据。与目前掌控着全球时间的微波时钟相比，新一代的“光学时钟”在一秒内包含的波峰数量是前者的五万倍。在几年内，可以用它测量出相当精准的alpha常数，可以与Webb从宇宙深处数十亿年前的光线得到的alpha常数相媲美。

　　缩小限制范围

　　从某种意义上说，原子是大自然创造的时钟。每一次电子在原子不同能级间的跃迁（也被称为量子跃迁）会发射或者吸收特定频率的光。接近这个特定频率的激光可以诱导原子发光，或者散射其他的激光。通过光子流来驱动反馈信号，物理学家可以将激光锁定在原子跃迁频率。这样得到的激光的波峰就是时钟的“滴答声”。

　　原子跃迁频率由这个原子的电子和质子之间的电磁相互作用所决定，而电磁相互作用的强度取决于alpha常数的大小。因此原子钟也间接测量了精细结构常数。确实，我们可以认为整个宇宙的原子都在不断地用自身的性质来测量这个常数，我们所需要做的只是找到观测它们的方法。

　　但是这样的实验比想象中要难。要观测alpha常数的变化，需要测量两个原子钟的频率，因为只对一个原子钟测量得到的结果既可以解释为alpha常数的变化，也可能是原子钟自身或者环境的影响。相比之下，两个原子钟频率的比值，是一个仅和alpha常数有关的无量纲量。

　　2004年，德国联邦物理技术研究院的物理学家Ekkehard Peik率先迈出了一大步，他比较了光学镱原子钟和微波铯原子钟的频率。为了降低统计不确定度，Peik的团队测量了两个原子钟两周之内的平均频率，并花了一年时间改进它们，然后重新测量了频率。数据显示alpha常数的变化幅度不超过每年一千万亿分之二。这个限制仍然大约为Webb从遥远星系观测得到的alpha常数变化幅度的两倍。

　　2008年，在科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究者将alpha常数的变化幅度再度缩小，为10-17，他们的方法是舍弃了精准度较低的铯原子钟，改为使用基于铝和汞的光学原子钟。这个实验对Webb的alpha常数出现变化的观测结果是一个很大的挑战。去年，Peik的团队把变化幅度进一步缩小，基于对镱离子钟和锶原子钟的观测，他们宣称初步结果为10-18。

　　Flambaum说：“他们不会特别频繁地发表自己的结果，但一旦发表，观测结果的精度就会得到巨大提升。”

　　但在原子钟课题组完成他们耗时极长的实验之前，Flambaum也不会仅仅是苦苦等待。他正忙于思考原子钟和基本常数的其他用途。在2015年，他和另一位同事发表了一篇关于暗物质如何使alpha常数产生偏移和波动的论文。他也建议叶军梳理之前收集的原子钟数据，并尝试在其中寻找暗物质的踪迹。

　　叶军产生了一个新的想法。“我觉得你的提议可以进一步改进。”他对Flambaum说。

叶军实验室的锶原子钟

　　另类暗物质候选者

　　Flambaum并不是第一个提议用原子钟来捕捉暗物质踪迹的人。2014年，两位科学家意识到另一类原子钟可以用来探索新物理定律——