美國基礎物理驚人突破！人類或進入核鍾時代，重寫宇宙各基本常數

美國加州大學洛杉磯分校（UCLA），近日實現了一項看似不可能的驚人突破，他們讓激光進入原子核，並激發中子來測量原子核的能量狀態，從而可能讓科學家們在時間、引力及其他領域，獲得遠超電子激發幾個數量級的測量精度，人類對時間的掌控，也將由原子鐘級進入原子核鍾級，有望發現基本物理常數更細微的變化，帶來我們對宇宙更深刻的認識，以及更精確的深空導航和通信等現實應用。

簡單來說，就像是有個遙遠的高等文明，他們通過發射激光來探測我們地球，以前只能觀察到整個城市的輪廓，現在通過這種創新技術，他們不僅能看到城市中的某個體育場，還能精確觀察到場上某個足球運動員的一舉一動，他們對我們的瞭解是不是一下就豁然開朗了？

此前我們用在GPS衛星等精密系統上的最精確原子鐘，如銫原子鐘，是通過激發原子外層電子的躍遷來實現的，雖然非常精確，但仍然會受到溫度變化、重力、磁場等的影響。

過去數十年來，科學家們一直希望用激光激發原子核中的中子來實現更精確的測量，因爲原子核中核力極強，受環境干擾的影響極小。然而用激光驅動這樣的核躍遷卻一直沒有成功過，這主要是因爲原子核周圍的電子在高速運動，更容易與光子發生作用，吸收或散射大部分入射光，阻止光子到達原子核。

加州大學洛杉磯分校物理學和天文學教授埃裏克·哈德森 (Eric Hudson) 領導的團隊，將釷-226原子嵌入富含氟的高度透明晶體中，讓電子與氟緊密結合，從而允許較低能量的光子到達原子核。

這是因爲氟是一種極強的電負性元素，可以形成非常強的化學鍵。當釷原子被嵌入富含氟的晶體中時，氟原子會與釷的外層電子形成強烈的化學鍵，被緊密地束縛在氟原子周圍，就"像蒼蠅被蜘蛛網粘住"一樣難以“掙扎”，大大減少了電子的自由度。

而電子被緊密束縛，意味着它們被激發到更高能級需要比平常更多的能量，換句話說，電子的激發能級被提高了。這樣較低能量的光子就能"繞過"電子，直接到達原子核。

這就像電子高速運動，在原子核外形成了一層“殼”，光子無論怎樣都會撞上被吸收或反彈，現在電子被綁住，原子核就裸露出來了，特定能量的光子就可以直接與原子核相互作用了。這是世界上第一次有人能夠用激光直接與原子核進行如此精確的互動。

爲什麼這很重要呢？因爲這意味着科學家們現在可以製造出更精密的“原子核鍾”，來測量時間的最微小變化了，有可能比現在最精確的原子鐘還要高几個數量級！這種核鐘的最現實應用就是衛星導航系統，可能會有數量級的巨大提升，然後就是通訊系統、深空導航等，而且可能更小、更堅固、更便攜、更精確。

但它最具影響力的作用，可能是幫助我們更深刻地揭示宇宙奧祕。比如我們宇宙中的各種常數，包括光速、引力常數、普朗克常數等，科學家們已經測量得越來越精確了，如果我們能夠把時間的測量精度再提升幾個數量級，意味着我們可以察覺宇宙中更細微的變化，有可能發現更基本的宇宙規律，尤其是精細結構常數。

精細結構常數是一個無量綱的物理常數，用於描述電磁相互作用，也就是電子和光子之間相互作用的強度，其值約爲1/137（更精確地說是1/137.035999206），在量子電動力學、粒子物理學等領域都扮演着關鍵的角色。

精細結構常數的值稍有不同，宇宙的結構就可能大不相同。你可以理解爲電子可以更靠近或遠離原子核，就像宇宙中所有行星，包括我們的地球離太陽更近或更遠，無疑將對整個宇宙產生根本性的影響。

此前一些理論和觀測已經暗示，精細結構常數可能在宇宙的不同區域或不同時期有着微小的變化。如果這一理論被證實，宇宙各種基本常數就可能是變化的，這意味着我們認識宇宙的基礎，包括愛因斯坦相對論在內的各種物理理論都需要進行修正。

所以這項突破性的研究，可能會給科學家們一個全新的顯微鏡，讓我們能夠以前所未有的精度來觀察和測量我們的宇宙，可能會徹底改變我們對時間、空間，甚至是宇宙本身的認知。

這項研究發表在7月2日《物理評論快報》上。

參考： “Laser Excitation of the Th229 Nuclear Isomeric Transition in a Solid-State Host”, 2 July 2024, Physical Review Letters.

DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.013201