世界首臺核鐘將破解物理學(xué)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)之謎

精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)決定了電磁相互作用的強度。奧地利研究人員近期證實，世界首臺核鐘有助于解答精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是否隨時間變化這一問題。

來自維也納技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家與同事采用2024年世界首臺核鐘研發(fā)中應(yīng)用的釷核躍遷技術(shù)。他們認(rèn)為這將驗證精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù) —— 物理學(xué)最基礎(chǔ)的常量之一 —— 是否真正恒定。

這個被稱為索末菲常數(shù)或α常數(shù)的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，是定義光與物質(zhì)相互作用方式的無量綱物理常數(shù)，其值約為1/137。

該常數(shù)同時量化了電磁力的強度 —— 這種無形紐帶既能讓原子結(jié)合，也能塑造從恒星到智能手機的萬物。若其發(fā)生細(xì)微變化，將意味著宇宙法則并非如人們所想的那般恒定。

宇宙恒定性的追蹤

維也納技術(shù)大學(xué)原子與亞原子物理研究所研究員托爾斯滕·舒姆博士指出，某些理論認(rèn)為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)可能并非絕對恒定。相反，它可能隨時間緩慢漂移，甚至呈周期性振蕩。"通常我們假定這類常數(shù)具有普適性 —— 在宇宙任何時空都保持恒定，"舒姆解釋道。

他表示，若精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)被證實不穩(wěn)定，將徹底重塑現(xiàn)代物理學(xué)體系。但要驗證這一點，需要以極高精度測量該常數(shù)最微小的變化。"我們的釷原子鐘首次使之成為可能，"他透露。

為驗證該假設(shè)，研究團隊轉(zhuǎn)向核鐘技術(shù)。與傳統(tǒng)原子鐘通過測量原子外圍電子行為計時不同，核鐘追蹤的是原子核內(nèi)部的能量躍遷。

研究團隊使用含有釷原子的微型晶體進(jìn)行實驗。當(dāng)釷原子核在基態(tài)與能量略高的激發(fā)態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，其形狀會發(fā)生微妙變化。

這種變化會改變核電場分布方式。這種被稱為四極變化的微小擾動，直接取決于精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。"原子核狀態(tài)改變時，其形狀與電場分布同步變化，"舒姆闡釋道，"特別是電場的四極矩分量 —— 這是一個數(shù)字，用來描述電場的形狀是更細(xì)長，像雪茄，還是更壓扁，像扁豆。"

超越計時范疇

通過對釷躍遷過程的精確測量，科學(xué)家旨在揭示精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是否始終保持恒定。實驗所用含釷晶體由維也納技術(shù)大學(xué)制備，激光光譜測量則在科羅拉多州博爾德市完成。

"我們成功證明該方法探測精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)變化的精度較以往提升三個數(shù)量級，即精度提高六千倍，"舒姆強調(diào)。

據(jù)團隊介紹，這項研究的價值遠(yuǎn)超精密計時范疇。釷核躍遷技術(shù)將使物理學(xué)家得以探索此前無法觸及的新物理領(lǐng)域。

"這表明我們發(fā)現(xiàn)的釷躍遷不僅能用于建造新一代高精度時鐘，更為以往無法通過實驗驗證的新物理研究開辟了道路，"舒姆在新聞發(fā)布會上總結(jié)道。

該研究成果已發(fā)表于《自然·通訊》期刊。

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