澳大利亚科学家研制原子钟测量宇宙基本常数

　　澳大利亚广播公司报道，西澳大利亚大学副教授约翰-迈克菲伦领导的研究小组正在与时间赛跑，研制精确度达到世界领先水平的原子钟。他们的原子钟将用于一项实验，测量宇宙的一个基本常数。迈克菲伦等人研制的原子钟采用稀土元素镱的原子制造。他说：“与其将它们看成钟表，我更喜欢将它们视为人类的终极精度机器。”

　　与采用微波的标准原子钟不同，镱原子钟将在更高的光频段下运转，将时间分割成大约10万份，用以获得更高的精确度。迈克菲伦说：“为了制造这种原子钟，我们需要使用激光器、光学装置、电子装置、不锈钢和超高真空系统，用于隔离镱原子。每一个激光系统几乎都能让人写一篇博士或者硕士论文。”

　　激光系统负责冷却和减缓镱原子的速度，同时在磁场的配合下将它们捕获到一个栅格中。栅格内，它们会遭到拥有特定频率的超纯净高稳定黄色激光的轰击。激光轰击导致原子中的电子拥有更高的能量态。迈克菲伦表示：“这种黄色激光最接近于纯正弦波。想象一下将你听到的音符的清晰度放大10亿倍，这就是纯正弦波需要做的事情。”

　　完成之后，这将是澳大利亚唯一的冷原子光学钟，同时也是国际太空原子钟组合系统中唯一一个来自南半球的原子钟。太空原子钟组合系统将于2016年发射升空，进入国际空间站，帮助确定物理学中的精细结构常数是否在任何地区都保持不变。精细结构常数用于表示原子核束缚用于束缚电子的电磁力。3年时间里，原子钟的频率比经过比较后可用于评估精细结构常数是否发生变化。

　　迈克菲伦表示：“天文观测结果显示精细结构常数在宇宙数十亿年的变迁中发生变化。精细结构常数可能在不同方向存在差异。科学家研制原子钟的作用就是要看一看能否探测到这种变化。”除了验证物理学定律等研究目的外，原子钟还可以用于定义时间。迈克菲伦说：“我们当前的时间单位秒立基于铯的能级之间跃迁，每秒 9192631770个周期。”世界各地的科学家研制镱、铝、汞和锶原子钟，以确定哪一种原子钟组合最适于在未来定义秒的标准。

　　原子钟

　　人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(Russium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

　　根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9 192 631 770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

　　宇宙常数

　　20世纪20年代，天文学家认为宇宙的大小是固定的。即便广义相对论预示事实并非如此的时候，爱因斯坦

　　也没有转变思路，找出正确答案。相反，他在自己的理论中发明了一个术语去抵消几乎无处不在的引力，用以保持宇宙的恒定不变。爱因斯坦后来将这一术语(宇宙常数)称为他一生中“最大的错误”。

　　美国科学家埃德温-哈勃的研究揭示了爱因斯坦的错误，让天文学家放弃对静态、稳定宇宙的原有认识，重新开始揭示一个奇异而令人困惑的宇宙。哈勃在自己的研究发现中采用了当时新发现的“宇宙卷尺”――称为“造父变星”(Cepheidvariable)的一类特殊恒星。通过在威尔逊山天文台扫描天空，哈勃确定了天体――模糊星云(被认为是银河系中的气态云)的距离。

　　在前人的基础上，哈勃的研究不仅表明，这些星云是它们自己的星系，而且还通过测量它们随时间而变化的速度，证实它们快速远离地球。哈勃的研究还表明，距离银河系越远，这些星云的速度越快。这种解释听上去很有道理，但其他星系为何加速离开地球的原因尚不得而知。大多数物理学家认为是暗能量在作祟，但他们尚不能准确确定这一原因。