最簡單、最基本的時鐘是什么？答案是一個原子。最近，加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家證明，用一個原子的高頻物質波足以測量時間。反過來，用高頻物質波也可確定該物質是什么。這一研究也是對量子力學中波粒二象性的最基本證明。
一個原子的“康普頓”鐘
自然界的物質都有波粒二象性，加利福尼亞大學伯克利分校副教授霍爾格·穆勒和同事利用這種物質特性，開發(fā)出一種最基本的測量時間的新方法：通過計算物質波的振動來判斷時間。“基于此我們可以說，一塊石頭就是一座時鐘�！蹦吕照f。他們的論文發(fā)表在1月11日的《科學》雜志上，詳細論述了怎樣用一個銫原子的物質波來判斷時間。
穆勒將這一時鐘稱為“康普頓鐘”，因為它是基于物質波的“康普頓頻率”。物質波頻率也叫“德布羅意頻率”。1924年，法國物理學家路易斯·德布羅意將愛因斯坦的質能轉化方程（E=mc2）和厄恩斯特·普朗克提出的能量與頻率有關的觀點結合在一起，發(fā)表了他的博士論文，提出物質也可以被看作是一種波，由此而獲得1929年的諾貝爾物理學獎。
物質波的頻率可能根本就無法觀察；即使能觀察到，也可能因其振動太快而無法測量�！拔镔|波的振動頻率比可見光振動頻率要高100億倍�！蹦吕照f。
兩年前，穆勒為了證明愛因斯坦的引力紅移，即時間在引力場中會變慢，發(fā)明了一種原子干涉儀，能把原子作為各種波，以測量它們之間的干涉。
相對來說，時間對于運動著的物體會變慢，所以在著名的“雙生子悖論”里，兩人中飛向遙遠恒星并返回的那個會比留下來的更年輕。同樣，一個向外運動然后返回的銫原子也會比留在原地的銫原子更“年輕”，也就是說，運動的銫原子的物質波振動的次數更少。一個銫原子的振動頻率約為每秒3×1025次，運動的銫原子的振動頻率與之相比每秒鐘少大約10萬次，這是可以測量出來的。這在實際中，就能作為一個時鐘來用了。
在新實驗中，穆勒把原子干涉儀技術和另一種已知的技術結合，顯示了怎樣測出這種差異。他用激光照射銫原子，使其分別處于運動和固定狀態(tài)，用原子干涉儀測量其物質波的相干性，由此就能測出振動頻率的微小差異。
“我們的時鐘能精確到10億分之7以內，這就像把8年的時間按秒來測量，其精確度就像60年前造的第一個銫原子鐘。”穆勒說。
和目前最精確的原子鐘相比，穆勒的“康普頓鐘”精確度要差1億倍，但使用鋁離子并進一步改良技術，能使康普頓鐘的精確度提高到現(xiàn)在原子鐘的水平。
時間與物質的爭論
澳大利亞國立大學量子物理學家約翰·克魯斯稱這一成果為“優(yōu)美的實驗，靈巧的設計”。但他同時指出，這也可能帶來一些爭議，比如，“原子的康普頓頻率能否稱為時鐘？霍爾格的觀點很明確，它是一個鐘。我也同意，因為它確實管用�！�
穆勒則表示他歡迎爭議，因為他的實驗涉及到量子力學的基本概念——物質的波粒二象性�？唆斔拐f：“我們所討論的是一些根本性的觀念問題，這也將使人們對量子物理學有更深入理解�！�
穆勒說：“當我還很年輕時，讀了許多科學書，就一直在思考時間為何會有微小的膨脹。從那時起，我就經常問自己，‘能測量時間的最簡單事物是什么？能感知時間流逝的最簡單系統(tǒng)是什么？’現(xiàn)在我們找到了這個問題的上限：一個物質粒子已足夠�！�
但問題是，時間究竟是什么？穆勒認為至今還沒人能給出這一問題的最終答案。“我們已經知道了更多有關時間的性質，當存在一個物質粒子時，時間才是物理性的，但時間又不依賴于物質粒子而存在。我們知道，無質量的粒子如光子，并不能算是完整的物質粒子�！�
“或許有一天，秒單位的定義會改為某種粒子的康普頓頻率的振動次數�！蹦吕照f。國際度量衡大會正在考慮用更基本的單位替換“千克”標準，這一提議也提供了一種新思路。國際千克原器是一個鉑—銥合金的圓柱體，原件密封在法國巴黎國際計量局的三層玻璃罩內，其復制件也只有少數國家才有。這種物質波技術也提供了一種新方法，讓科學家們能造出自己的千克原器。
用物質測量時間，還牽涉到許多基于時間的標準，比如制造“阿伏加德羅球”的硅晶體的純度。這種球內部所含原子個數是一定的，所以必須造得極其精確�！坝梦覀兊溺姾湍壳白詈玫陌⒎拥铝_球，將使新的千克定義達到最優(yōu)�！蹦吕照f，“知道了時鐘的振動頻率，就等于知道了粒子是什么物質，而知道了物質是什么原子，也就能知道更多的相關信息了。”
穆勒希望能把這一技術擴展到更小的粒子，比如電子或正電子，后者能造出反物質鐘，直至有一天能用量子真空波動來判斷時間。
