还有没有比这更精确的时钟呢?物理学家们上下求索。锶原子能级跃迁的速度比铯原子快1000倍,从理论上讲,锶原子钟比铯原子钟更准确,但是,锶原子钟制作落后于铯原子钟,因为测量频率如此之快的“滴答”声非常困难。
叶军做到了。为了建造更准确的锶钟,他的小组用激光束创建了一个电磁波晶格,将锶原子捕获在这个晶格中,然后,用另外一束探测激光照耀在晶格上,调整这束激光的频率直至它与锶原子电子的振荡一致。这种激光的共振可以被测量出来,从而提供了一种新的时间测量基准。
采用同样的原理,日本科学家曾在2005年创建出一台锶原子钟,但是这台钟对频率的测量误差为27赫兹。叶军的研究小组建造了更稳定的激光晶格,能够让光晶格更牢固,从而阻止锶原子因移动而干扰信号,他们的成果发表在2007年3月出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,其频率的不确定性被减小到0.4赫兹, 测量误差减小到1.1赫兹。
“将小数点往后移一位,你就会发现新的真理”
以前,卡尔-蔡司研究奖都颁发给具有很强应用前景的研究项目,如对眼睛的光力学治疗技术或蓝光二极管的发明,但2007年度的获奖成果却是纯粹的基础研究。
“叶军的这项工作至今还没有工业应用的概念。但他在诺贝尔奖获得者工作上拓展出的速度和实验技术让我们深深着迷,而且他已经将这一成果应用到了相关研究领域。”卡尔-蔡司公司研究和技术部高级副总裁Augustin Siegel 在解释评审委员会的决定时说。
我们为什么需要如此高精度的时钟?它对人类的日常生活有什么影响?
Siegel 说:“这在远距离的摇控导航中尤其重要。计时越准确,目标的定位就越精确。”比如,锶原子钟可用于做更好的全球卫星定位系统(GPS),对30多年前发射的航行者1号进行导航。
精确计时还可用于对宇宙常数进行重新测量。2006年,physorg.com在评价叶军的超精确测量实验工作时曾指出:“这将有助于科学家们检验自然界中的精细结构常数从宇宙形成初期到现在130多亿年的时间是否在变。”“因为精细结构常在很多物理领域得到应用,所以对它的测量是检验已有物理理论是否一致的一种方法。”
叶军说:“我相信一句在美国物理学界广泛流传的话:将小数点往后移一位,你就会发现新的真理。小数点往后移一位,代表物理实验的精确度又增加了10倍,这个时候,往往就会看到微观世界的一些现象并不是以前的定理所描述的,需要修正,这就鼓励科学家想出新的物理办法、新的实验方法,怎么才能将小数点往后移一位。”
基本物理常数真的在变吗?
叶军说:“宇宙大爆炸理论认为,宇宙开始是一个无限小的奇点,突然爆炸后产生今天的世界,变化那么大,当时的常数有可能与现在的常数不一样。但高能物理又想将爱因斯坦的相对论引力场与量子力学结合起来,产生标准模型,大家去作不同的修正,在修正过程中会用不同的理论和常数,但怎样检验理论对不对呢?其中一个就是用基本常数来测量,如果真正测量出这些微小变化的量,那么会影响到我们对整个宇宙的理论。这是很基本的吧!”