最簡(jiǎn)單、最基本的時(shí)鐘是什么？答案是一個(gè)原子。最近，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家證明，用一個(gè)原子的高頻物質(zhì)波足以測(cè)量時(shí)間。反過來，用高頻物質(zhì)波也可確定該物質(zhì)是什么。這一研究也是對(duì)量子力學(xué)中波粒二象性的最基本證明。
一個(gè)原子的“康普頓”鐘
自然界的物質(zhì)都有波粒二象性，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校副教授霍爾格·穆勒和同事利用這種物質(zhì)特性，開發(fā)出一種最基本的測(cè)量時(shí)間的新方法：通過計(jì)算物質(zhì)波的振動(dòng)來判斷時(shí)間�！盎诖宋覀兛梢哉f，一塊石頭就是一座時(shí)鐘�！蹦吕照f。他們的論文發(fā)表在1月11日的《科學(xué)》雜志上，詳細(xì)論述了怎樣用一個(gè)銫原子的物質(zhì)波來判斷時(shí)間。
穆勒將這一時(shí)鐘稱為“康普頓鐘”，因?yàn)樗腔谖镔|(zhì)波的“康普頓頻率”。物質(zhì)波頻率也叫“德布羅意頻率”。1924年，法國(guó)物理學(xué)家路易斯·德布羅意將愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)化方程（E=mc2）和厄恩斯特·普朗克提出的能量與頻率有關(guān)的觀點(diǎn)結(jié)合在一起，發(fā)表了他的博士論文，提出物質(zhì)也可以被看作是一種波，由此而獲得1929年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
物質(zhì)波的頻率可能根本就無法觀察；即使能觀察到，也可能因其振動(dòng)太快而無法測(cè)量�！拔镔|(zhì)波的振動(dòng)頻率比可見光振動(dòng)頻率要高100億倍�！蹦吕照f。
兩年前，穆勒為了證明愛因斯坦的引力紅移，即時(shí)間在引力場(chǎng)中會(huì)變慢，發(fā)明了一種原子干涉儀，能把原子作為各種波，以測(cè)量它們之間的干涉。
相對(duì)來說，時(shí)間對(duì)于運(yùn)動(dòng)著的物體會(huì)變慢，所以在著名的“雙生子悖論”里，兩人中飛向遙遠(yuǎn)恒星并返回的那個(gè)會(huì)比留下來的更年輕。同樣，一個(gè)向外運(yùn)動(dòng)然后返回的銫原子也會(huì)比留在原地的銫原子更“年輕”，也就是說，運(yùn)動(dòng)的銫原子的物質(zhì)波振動(dòng)的次數(shù)更少。一個(gè)銫原子的振動(dòng)頻率約為每秒3×1025次，運(yùn)動(dòng)的銫原子的振動(dòng)頻率與之相比每秒鐘少大約10萬次，這是可以測(cè)量出來的。這在實(shí)際中，就能作為一個(gè)時(shí)鐘來用了。
在新實(shí)驗(yàn)中，穆勒把原子干涉儀技術(shù)和另一種已知的技術(shù)結(jié)合，顯示了怎樣測(cè)出這種差異。他用激光照射銫原子，使其分別處于運(yùn)動(dòng)和固定狀態(tài)，用原子干涉儀測(cè)量其物質(zhì)波的相干性，由此就能測(cè)出振動(dòng)頻率的微小差異。
“我們的時(shí)鐘能精確到10億分之7以內(nèi)，這就像把8年的時(shí)間按秒來測(cè)量，其精確度就像60年前造的第一個(gè)銫原子鐘�！蹦吕照f。
和目前最精確的原子鐘相比，穆勒的“康普頓鐘”精確度要差1億倍，但使用鋁離子并進(jìn)一步改良技術(shù)，能使康普頓鐘的精確度提高到現(xiàn)在原子鐘的水平。
時(shí)間與物質(zhì)的爭(zhēng)論
澳大利亞國(guó)立大學(xué)量子物理學(xué)家約翰·克魯斯稱這一成果為“優(yōu)美的實(shí)驗(yàn)，靈巧的設(shè)計(jì)”。但他同時(shí)指出，這也可能帶來一些爭(zhēng)議，比如，“原子的康普頓頻率能否稱為時(shí)鐘？霍爾格的觀點(diǎn)很明確，它是一個(gè)鐘。我也同意，因?yàn)樗_實(shí)管用�！�
穆勒則表示他歡迎爭(zhēng)議，因?yàn)樗膶?shí)驗(yàn)涉及到量子力學(xué)的基本概念——物質(zhì)的波粒二象性�？唆斔拐f：“我們所討論的是一些根本性的觀念問題，這也將使人們對(duì)量子物理學(xué)有更深入理解�！�
穆勒說：“當(dāng)我還很年輕時(shí)，讀了許多科學(xué)書，就一直在思考時(shí)間為何會(huì)有微小的膨脹。從那時(shí)起，我就經(jīng)常問自己，‘能測(cè)量時(shí)間的最簡(jiǎn)單事物是什么？能感知時(shí)間流逝的最簡(jiǎn)單系統(tǒng)是什么？’現(xiàn)在我們找到了這個(gè)問題的上限：一個(gè)物質(zhì)粒子已足夠�！�
但問題是，時(shí)間究竟是什么？穆勒認(rèn)為至今還沒人能給出這一問題的最終答案�！拔覀円呀�(jīng)知道了更多有關(guān)時(shí)間的性質(zhì)，當(dāng)存在一個(gè)物質(zhì)粒子時(shí)，時(shí)間才是物理性的，但時(shí)間又不依賴于物質(zhì)粒子而存在。我們知道，無質(zhì)量的粒子如光子，并不能算是完整的物質(zhì)粒子�！�
“或許有一天，秒單位的定義會(huì)改為某種粒子的康普頓頻率的振動(dòng)次數(shù)�！蹦吕照f。國(guó)際度量衡大會(huì)正在考慮用更基本的單位替換“千克”標(biāo)準(zhǔn)，這一提議也提供了一種新思路。國(guó)際千克原器是一個(gè)鉑—銥合金的圓柱體，原件密封在法國(guó)巴黎國(guó)際計(jì)量局的三層玻璃罩內(nèi)，其復(fù)制件也只有少數(shù)國(guó)家才有。這種物質(zhì)波技術(shù)也提供了一種新方法，讓科學(xué)家們能造出自己的千克原器。
用物質(zhì)測(cè)量時(shí)間，還牽涉到許多基于時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，比如制造“阿伏加德羅球”的硅晶體的純度。這種球內(nèi)部所含原子個(gè)數(shù)是一定的，所以必須造得極其精確�！坝梦覀兊溺姾湍壳白詈玫陌⒎拥铝_球，將使新的千克定義達(dá)到最優(yōu)。”穆勒說，“知道了時(shí)鐘的振動(dòng)頻率，就等于知道了粒子是什么物質(zhì)，而知道了物質(zhì)是什么原子，也就能知道更多的相關(guān)信息了。”
穆勒希望能把這一技術(shù)擴(kuò)展到更小的粒子，比如電子或正電子，后者能造出反物質(zhì)鐘，直至有一天能用量子真空波動(dòng)來判斷時(shí)間。
