科学家用核钟打开新物理大门：钍-229能否揭示宇宙常数的秘密

抖音热门 2025年12月10日 21:00 1 cc

维也纳工业大学的物理学家利用钍-229原子核实现了一项突破性测量,这项实验可能挑战我们对宇宙基本规律的理解。研究团队通过超高精度激光光谱技术,测定了钍-229原子核跃迁频率达到2020407384335千赫兹,误差仅为正负2千赫兹。这个看似平凡的数字背后,隐藏着检验精细结构常数是否真正恒定的关键线索。精细结构常数决定了电磁力的强度,其数值约为1/137,如果它并非恒定,将颠覆现代物理学的根基,并为暗物质等未解之谜提供新的探索路径。

精细结构常数α是自然界四种基本力之一电磁相互作用的强度指标。如果它的数值发生变化,带电粒子的行为、化学键的性质以及光与物质的相互作用都会随之改变。维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所负责人托尔斯滕·舒姆指出,虽然这个常数被认为在宇宙任何时刻和地点都保持相同数值,但许多现代理论特别是关于暗物质本质的理论预测它存在微小而缓慢的波动。证明精细结构常数并非恒定将彻底改写我们对自然的认知,但这需要极其精密的测量工具。

钍-229原子核的独特性质使其成为理想的测试平台。当这种原子核受到激发时,其中一个中子从基态跃迁到高能态,核的形状会略微变得更椭圆,这种变化幅度约为百分之二。虽然形变微小,但它显著改变了原子核内质子之间库仑排斥力的贡献,导致核电场几何结构发生变化。关键在于,这种变化对精细结构常数的数值极为敏感,这意味着通过精确观测钍的跃迁特征,就能检测精细结构常数是否存在波动。

6000倍灵敏度的测量突破

研究团队首先在维也纳工业大学制备了掺杂在氟化钙晶体中的钍-229样品,随后在美国科罗拉多大学博尔德分校的JILA实验室用超短激光脉冲照射晶体进行测量。虽然实验没有检测到精细结构常数的变化,但成功确定了如果存在这种变化,它将如何转化为钍-229第一激发态能量的改变。实验结果令人震惊:这种转化关系的增强因子高达6000,远超任何原子或分子系统,这得益于原子核内部过程蕴含的高能量特性。

舒姆强调,这意味着他们对精细结构变化的探测灵敏度比以往测量高出6000倍。这个增强因子的数值此前在学术界争论了数十年,理论预测值在零到10000之间跨度巨大。确认如此高的增强因子后,研究团队现在可以利用这一方法开始系统搜寻精细结构常数变化的观测证据。中国科学院精密测量研究院的研究也指出,钍-229核跃迁的精细结构常数敏感因子K在10的4次方量级,比现有最敏感的原子跃迁高三到四个数量级。

这项技术突破建立在去年成功研制世界首个核钟的基础之上。核钟与传统原子钟的根本区别在于,它利用原子核而非电子的能级跃迁来定义时间标准。钍-229是唯一已知的具有极低能级跃迁的原子核,其跃迁能量落在紫外光范围内,可以用激光精确操控。这种独特性质使钍-229核钟不仅在计时精度上具有优势,更重要的是它对基本物理常数变化具有超高敏感度。

追踪时空中的常数波动

欧洲核子研究中心理论物理部门的安德烈亚·卡普托评价这项实验成果"确实非凡",因为它以前所未有的精度探测了核结构。不过他也指出,理论框架仍需完善,核钟增强因子K仍然存在较大的理论不确定性,需要在理论方面取得大量进展才能可靠地模拟核结构。这反映出实验技术的进步已经超越了理论预测能力,为未来研究提出了新挑战。

暗物质是当代物理学最大的未解之谜之一。一些理论模型预测,如果暗物质以超轻标量场形式存在,它可能与精细结构常数发生耦合,导致后者随时间或空间位置发生振荡。利用光纤连接的光学原子钟网络已经开展了搜寻精细结构常数瞬态变化的实验,但灵敏度受到限制。钍-229核钟因其高达6000倍的增强因子,为这类搜寻提供了前所未有的灵敏探测器。如果精细结构常数确实存在微小波动,核钟网络将有望首次捕捉到这一信号。

舒姆和团队目前正致力于将钍-229跃迁的光谱测量精度再提高一到两个数量级。一旦达到这一目标,他们将开始系统搜寻跃迁能量的波动特征,追踪其随时间的演化,并通过地球绕太阳运动来追踪其空间依赖性。这种搜寻策略基于以下考虑:如果精细结构常数受到暗物质场的影响,其数值可能随着地球在银河系暗物质晕中的运动而发生周期性变化。

从技术发展角度看,钍-229核钟的研制代表了精密测量领域的重大进展。传统最精确的光学原子钟基于锶-87或镱等原子,其相对不确定度已达到10的负18次方量级。核钟如果能充分发挥其窄线宽和系统误差少的优势,性能有望超越现有最佳光钟。更重要的是,将核钟与原子钟进行比对,可以独立检验不同物理系统对基本常数变化的响应,为探测新物理提供交叉验证手段。

这项研究提示我们,宇宙中那些看似理所当然的常数可能并非永恒不变。钍-229核钟为检验这一假设提供了前所未有的工具,其测量灵敏度的飞跃可能在未来数年内揭示精细结构常数是否真的随时空波动,进而为理解暗物质本质、验证广义相对论以及探索统一理论提供关键线索。这是一场耐心而精密的实验,其结果或将重塑我们对宇宙运行规则的认知。