如何?用分子鐘躍遷探測(cè)對(duì)稱性破缺

原文作者：Eugene Wang

你可能已經(jīng)聽說過原子鐘，它是一種利用原子能級(jí)之間的躍遷來測(cè)量時(shí)間的精密儀器。原子鐘的精度非常高，可以達(dá)到每十億年誤差不超過一秒的水平。但是，原子鐘并不是最精確的時(shí)鐘，還有一種更先進(jìn)的時(shí)鐘，叫做分子鐘。

分子鐘是什么呢？它是一種利用分子能級(jí)之間的躍遷來測(cè)量時(shí)間的儀器。分子能級(jí)比原子能級(jí)更復(fù)雜，因?yàn)榉肿映擞?a target="_blank">電子能級(jí)，還有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。這些能級(jí)之間的躍遷可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定和敏感的頻率信號(hào)，用來作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

那么，為什么要用分子鐘呢？原子鐘不夠好嗎？其實(shí)，原子鐘有一個(gè)缺點(diǎn)，就是它們對(duì)外界電磁場(chǎng)非常敏感。電磁場(chǎng)會(huì)影響原子能級(jí)之間的躍遷頻率，導(dǎo)致時(shí)鐘失準(zhǔn)。為了避免這個(gè)問題，原子鐘必須在非常嚴(yán)格的屏蔽條件下工作，這限制了它們的應(yīng)用范圍。

分子鐘則沒有這個(gè)問題，因?yàn)樗鼈兛梢岳靡环N特殊的躍遷，叫做分子鐘躍遷。這種躍遷是指兩個(gè)相鄰的分子能級(jí)之間的躍遷，它們具有相同的對(duì)稱性和相反的電偶極矩。這樣一來，這兩個(gè)能級(jí)對(duì)外界電磁場(chǎng)的響應(yīng)是完全相反的，所以它們之間的躍遷頻率是不受電磁場(chǎng)影響的。這就是說，分子鐘躍遷是場(chǎng)不敏感的。

既然分子鐘躍遷是場(chǎng)不敏感的，那么它們還能用來探測(cè)什么呢？答案是：對(duì)稱性破缺。對(duì)稱性破缺是指自然界中存在一些現(xiàn)象或過程，它們不遵循某些對(duì)稱性原理。比如說，我們都知道物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是完全對(duì)稱的，但是在大爆炸之后發(fā)生了什么呢？反物質(zhì)幾乎全部消失了，而物質(zhì)卻留了下來，形成了我們現(xiàn)在看到的宇宙。這就是一個(gè)對(duì)稱性破缺的例子，叫做物質(zhì)反物質(zhì)不對(duì)稱。

對(duì)稱性破缺是物理學(xué)中一個(gè)非常重要的課題，因?yàn)樗梢詭椭覀兝斫庾匀唤绲幕疽?guī)律和原理。但是，對(duì)稱性破缺很難被觀測(cè)到，因?yàn)樗ǔＶ辉跇O端的條件下才會(huì)發(fā)生，比如高能量、高溫度或者高密度。所以，我們需要一些非常精密和靈敏的儀器來探測(cè)對(duì)稱性破缺的微弱信號(hào)。

分子鐘就是這樣一種儀器。分子鐘躍遷不僅是場(chǎng)不敏感的，還是對(duì)稱性敏感的。這是因?yàn)榉肿隅娷S遷涉及到兩個(gè)具有相同對(duì)稱性的能級(jí)，如果存在某種對(duì)稱性破缺的效應(yīng)，那么這兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷頻率就會(huì)發(fā)生變化。這種變化可以被分子鐘檢測(cè)到，從而揭示對(duì)稱性破缺的存在。

那么，分子鐘能夠探測(cè)哪些對(duì)稱性破缺呢？答案是：很多。比如說，分子鐘可以探測(cè)時(shí)間反演對(duì)稱性破缺。比如說，如果你把一個(gè)電影倒著放，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多事情都不合理，比如水往上流、玻璃碎片重新拼合等等。這就說明電影中的過程不滿足時(shí)間反演對(duì)稱性。

時(shí)間反演對(duì)稱性破缺在物理學(xué)中有一個(gè)特殊例子：電偶極矩。電偶極矩是指一個(gè)帶電粒子或系統(tǒng)在空間中的電荷分布不均勻，導(dǎo)致它有一個(gè)正負(fù)兩極。如果一個(gè)帶電粒子或系統(tǒng)有電偶極矩，那么它在時(shí)間反向后就會(huì)變成相反的電偶極矩。這就說明它不滿足時(shí)間反演對(duì)稱性。

電偶極矩可以被分子鐘探測(cè)到，因?yàn)樗鼤?huì)影響分子能級(jí)之間的躍遷頻率。具體來說，如果一個(gè)分子有電偶極矩，那么它會(huì)與外界電場(chǎng)產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致它的能級(jí)發(fā)生位移或劈裂。這樣一來，分子鐘躍遷就不再是場(chǎng)不敏感的了，而是會(huì)隨著外界電場(chǎng)的變化而變化。通過測(cè)量這種變化，我們就可以推斷出分子的電偶極矩大小和方向。

其實(shí)，電偶極矩不僅可以證明時(shí)間反演對(duì)稱性破缺的存在，還可以證明其他兩種對(duì)稱性破缺的存在：宇稱對(duì)稱性破缺和荷共軛宇稱對(duì)稱性破缺，它們?cè)谖锢韺W(xué)中有一個(gè)統(tǒng)一的名稱，叫做CP對(duì)稱性破缺。CP對(duì)稱性破缺與時(shí)間反演對(duì)稱性破缺有一個(gè)非常深刻的聯(lián)系，這就是CPT定理。CPT定理是指自然界中的任何現(xiàn)象或過程，在空間反射、物質(zhì)反物質(zhì)轉(zhuǎn)換和時(shí)間反向后都必須相同。這就意味著，如果存在CP對(duì)稱性破缺，那么就一定存在時(shí)間反演對(duì)稱性破缺，反之亦然。所以，通過探測(cè)電偶極矩，我們就可以同時(shí)探測(cè)CP對(duì)稱性破缺和時(shí)間反演對(duì)稱性破缺。

CP對(duì)稱性破缺和時(shí)間反演對(duì)稱性破缺有什么意義呢？它們可以幫助我們解決一些物理學(xué)中的重大難題，比如說物質(zhì)反物質(zhì)不對(duì)稱問題。我們已經(jīng)說過，物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是完全對(duì)稱的，但是在大爆炸之后，反物質(zhì)幾乎全部消失了，而物質(zhì)卻留了下來。為什么會(huì)這樣呢？一個(gè)可能的解釋是，在大爆炸的過程中，發(fā)生了一些違反CP對(duì)稱性的現(xiàn)象或過程，導(dǎo)致物質(zhì)和反物質(zhì)的產(chǎn)生和湮滅不平衡。這樣一來，就會(huì)留下一些多余的物質(zhì)，形成了我們現(xiàn)在看到的宇宙。如果我們能夠探測(cè)到CP對(duì)稱性破缺和時(shí)間反演對(duì)稱性破缺的信號(hào)，那么我們就可以驗(yàn)證這個(gè)解釋，并且更深入地理解大爆炸的機(jī)制。

除了探測(cè)CP對(duì)稱性破缺和時(shí)間反演對(duì)稱性破缺之外，分子鐘還可以探測(cè)其他一些有趣的物理效應(yīng)，比如說洛倫茲不變性破缺、量子引力效應(yīng)等等。這些效應(yīng)都涉及到自然界中最基本的原理和規(guī)律，比如說相對(duì)論、量子力學(xué)、引力等等。如果我們能夠探測(cè)到這些效應(yīng)的信號(hào)，那么我們就可以更好地理解自然界的運(yùn)行方式，并且尋找一種能夠統(tǒng)一所有力和粒子的理論。

你可能會(huì)問，分子鐘怎么能探測(cè)到這些效應(yīng)呢？答案是：通過利用一種技術(shù)，叫做工程化分子鐘躍遷。這種技術(shù)是指通過人為地操縱分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，使得分子鐘躍遷具有更高的精度和靈敏度。具體來說，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)：

外場(chǎng)調(diào)控法。這種方法是指通過施加外界的電場(chǎng)、磁場(chǎng)或光場(chǎng)，來改變分子能級(jí)之間的躍遷頻率。這樣一來，我們就可以選擇一些特定的外場(chǎng)條件，使得分子鐘躍遷達(dá)到最佳的場(chǎng)不敏感性和對(duì)稱性敏感性。比如說，我們可以利用外界電場(chǎng)，來抵消分子內(nèi)部的電偶極矩，從而消除電偶極矩對(duì)分子鐘躍遷的影響?；蛘?，我們可以利用外界磁場(chǎng)，來增強(qiáng)分子內(nèi)部的磁偶極矩，從而增強(qiáng)磁偶極矩對(duì)分子鐘躍遷的影響。這樣一來，我們就可以更精確地探測(cè)電偶極矩和磁偶極矩的信號(hào)。

量子調(diào)控法。這種方法是指通過利用量子力學(xué)中的干涉和糾纏等現(xiàn)象，來制備一些特殊的分子態(tài)，使得分子鐘躍遷具有更高的精度和靈敏度。比如說，我們可以利用激光脈沖，來制備一些疊加態(tài)或糾纏態(tài)的分子，從而實(shí)現(xiàn)一些非常穩(wěn)定和敏感的干涉信號(hào)?；蛘?，我們可以利用激光脈沖，來制備一些非常冷的分子，從而減少分子之間的碰撞和擴(kuò)散，提高分子鐘的穩(wěn)定性。

編輯：黃飛