量度「能量阶梯」 製精确原子钟
来源:新锦娱乐  发布时间:2020-06-18 16:55
  
  铯原子钟,是现时美国时间和频率的标准。 网上图片铯原子钟,是现时美国时间和频率的标准。 网上图片
  上次跟大家谈到低温电子显微技术这个近年发展迅速的科技,容许我们准确地察看更多种类的蛋白质,继而帮助我们了解蛋白质的结构与功用之间的关係。今天再和大家分享另一个方向的科技发展:製造更准确的时钟。
  固定频率辐射 原子钟少误时
  前阵子也和大家讨论过时钟的简略发展:从依赖大自然的固定周期(比如说太阳的移动、沙漏中沙粒的流动),到后来人类发明了机械来计时(例如利用钟摆的各种机械钟)。这个时钟的「演化史」,其实也反映出人类科技逐渐进步。
  现在我们最精确的时钟,是所谓的「原子钟」,利用我们对原子的深入了解:原子及其他微小的粒子,原来只能够拥有某些数量的能量(不同的粒子能够拥有的能量却可以不同)。这就好比每一颗微小的粒子都有一道隐形的阶梯,当它吸收了适当数量的能量,就会攀上这道隐形阶梯上更高的梯级;不过这些梯级之间的距离是固定的,因此这些粒子只能够吸收刚好是两个梯级相差的能量。
  同样道理,当这些粒子从较高的梯级下降到更低的梯级,就会释放出两个梯级相差的能量。假如这些固定的能量以光和辐射的形式被释放出来,这些辐射的频率也会是固定,因为辐射的能量愈大,其相对应的频率也会愈高。固定频率的辐射,就好像一个十分精准的钟摆,为我们带来极其准确的原子钟:倘若在宇宙开始之时我们就有原子钟,到了今天它们应该还不会误差超过一秒钟。
  应用爱因斯坦理论 量度离子频率质量
  不过我们并不满足于此,还希望能造出更精准的时钟。一直以来,我们的原子钟都利用不带电的原子或略为带电的离子,然而科学家已在研究,带大量电荷的离子应该能用来製作更准确的计时器。
  不过,要达成这个目标,我们先需要解决一个问题:我们要清楚量度这些离子的「能量梯级」,好让我们能够知道它们释放的辐射是什麽频率。然而,这些离子一般很少释放这些辐射,以致要直接量度它们的频率并不容易。
  马克斯.普朗克核物理研究所的Schussler和她的研究伙伴想到了另一个方法:根据爱因斯坦的著名公式,E=mc2,拥有愈多能量的东西,其实代表它们有愈高的质量,因此除了直接量度这些「能量梯级」,我们可以找出在不同「能量梯级」上的离子,再量度它们的质量。Schussler的团队用电磁场将这些离子固定起来,不让「四处走动」,而只会在原地绕圈。不过它们绕圈的频率与这些粒子的质量有关:质量高的粒子也就较重,动起来自然较慢、频率较低。因此量度它们绕圈的频率,我们就可以知道它们的质量,再找出它们的能量。
  Schussler的团队将这个方法用于铼 (Rhenium)这种金属的离子之上,量度了它的「能量阶梯」。可惜的是看来这种离子并不适合用于计时器。不过,这已证明了这个量度方法真的有用,下一步就是寻找适当的离子了。
  短暂任职见习土木工程师后,决定追随对科学的兴趣,在加拿大多伦多大学取得理学士及哲学博士学位,修读理论粒子物理。现任香港大学理学院讲师,教授基础科学及通识课程,不时参与科学普及与知识交流活动。文章来源:新锦江娱乐:www.xjj6789.com
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