http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-03-20
对于时间，世界上早就有统一标准。但最近，美国科学家发明了一种测量时间的新方法，这一方法同时有望取代国际公斤的标准。他们所提出的新方法，让研究者能够直接从质量上看出时间，或者从时间上看出质量。这一发现可能会颠覆我们现有时钟和质量秤的使用功能，同时也有助于重新校准公斤单位。
编译：记者 黄岚
实习生 许冉君
用“质点”来确定时间的标准
什么是时间？人们每天都在感受着昼夜轮回的变化，这是时间的见证。在美国科学家所发明的新系统中，最重要的一点是，用一个质点来确定一个时间标准。所谓质点，就是有质量但不存在体积与形状的点。在物体的大小和形状不起作用，或者所起的作用并不显著而可以忽略不计时，我们近似地把该物体看作是一个具有质量但大小和形状可以忽略不计的理想物体，这称为质点。
这项研究结果发表在美国《科学》杂志上。该项目的负责人、加州大学伯克利分校的物理学家Holger Müller指出，宇宙中的质点和时间是同时诞生的。
所有现存的时钟都要依靠几个相互作用的物体，例如落地式的大摆钟，它需要一个因地球重力作用而来回摆动的钟摆。现今国际上对秒的定义是由原子钟来确定的，电子会产生震动，这就是所谓的能量水平，它在这个过程中释放光的振幅，一定数量的振幅就是一秒。部分物理学家怀疑一个单独的物体能否起到时钟的作用，所以他们把铯元素的原子核和电子作为一个单一质点。在实验中，研究者也使用了铯元素的原子，因为它能够利用激光冷却，而且是中性的，这些性质都能减少对周边环境的敏感性。
在实验中，Müller及其同事致力于研究铯元素原子内一种名为康普顿频率的量。在量子的层面上，物质会产生类似波动的动作，而康普顿频率可以显示这些波动的振幅，科学家设下定义：X倍的振幅等于一秒。
或将重新定义公斤标准
由于现代技术很难直接测量康普顿频率，所以Müller的团队跳过了这个障碍。他们测量了一个较小的量，并通过这个量算出了康普顿频率。为此，他们探究了爱因斯坦相对论中的“孪生子悖论”。这一悖论指的是一个人若以光速离开地球，再以同样的速度返回地球，这个人就会比留在地球上的兄弟姐妹看起来更年轻。研究者使用了一个名为Ramsey-Borde的干涉仪，他们用铯原子撞击带有势能的光子，并使其移动。激光将铯原子的波长一分为二。原子的两个波长像“孪生子悖论”说的那样“行动”：一个波长停在原地，另一个波长移动后回到原点，回来的波长因而要比前者更加“年轻”，因为在移动的过程中它的震动次数相对较少。
如果拥有铯原子的康普顿频率，那就可以用量子力学的方程算出它的质量。其他质量的原子也可以据此计算。在日常生活中，我们需要更实际的质量单位而不是某个原子的质量，所以研究者使用了“阿佛加德罗球体”来定义一种新的公斤标准。这些球体实际上是由一定量的原子构成的晶体。
目前，公斤是以一个铂铱合金圆柱筒的质量作为参照标准，该圆柱筒被放置于法国塞夫勒市的一个房间内。这是最后一个用物体作为衡量标准的实验，专家为此忧心忡忡。他们记录了从125年前开始的质量变化，这也促使国际科学界在2011年呼吁采用新的公斤标准。新的“康普顿-阿佛加德罗模型”依靠不变的物理现象，结果显示它是目前为止最精确的质量校准方式。
[大洋网-广州日报]
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