對于時(shí)間，世界上早就有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。但最近，美國科學(xué)家發(fā)明了一種測量時(shí)間的新方法，這一方法同時(shí)有望取代國際公斤的標(biāo)準(zhǔn)。他們所提出的新方法，讓研究者能夠直接從質(zhì)量上看出時(shí)間，或者從時(shí)間上看出質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn)可能會顛覆我們現(xiàn)有時(shí)鐘和質(zhì)量秤的使用功能，同時(shí)也有助于重新校準(zhǔn)公斤單位。

　　用“質(zhì)點(diǎn)”來確定時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)

　　什么是時(shí)間？人們每天都在感受著晝夜輪回的變化，這是時(shí)間的見證。在美國科學(xué)家所發(fā)明的新系統(tǒng)中，最重要的一點(diǎn)是，用一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來確定一個(gè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。所謂質(zhì)點(diǎn)，就是有質(zhì)量但不存在體積與形狀的點(diǎn)。在物體的大小和形狀不起作用，或者所起的作用并不顯著而可以忽略不計(jì)時(shí)，我們近似地把該物體看作是一個(gè)具有質(zhì)量但大小和形狀可以忽略不計(jì)的理想物體，這稱為質(zhì)點(diǎn)。

　　這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人、加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家Holger M?ller指出，宇宙中的質(zhì)點(diǎn)和時(shí)間是同時(shí)誕生的。

　　所有現(xiàn)存的時(shí)鐘都要依靠幾個(gè)相互作用的物體，例如落地式的大擺鐘，它需要一個(gè)因地球重力作用而來回?cái)[動(dòng)的鐘擺?，F(xiàn)今國際上對秒的定義是由原子鐘來確定的，電子會產(chǎn)生震動(dòng)，這就是所謂的能量水平，它在這個(gè)過程中釋放光的振幅，一定數(shù)量的振幅就是一秒。部分物理學(xué)家懷疑一個(gè)單獨(dú)的物體能否起到時(shí)鐘的作用，所以他們把銫元素的原子核和電子作為一個(gè)單一質(zhì)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，研究者也使用了銫元素的原子，因?yàn)樗軌蚶眉す饫鋮s，而且是中性的，這些性質(zhì)都能減少對周邊環(huán)境的敏感性。

　　在實(shí)驗(yàn)中，M?ller及其同事致力于研究銫元素原子內(nèi)一種名為康普頓頻率的量。在量子的層面上，物質(zhì)會產(chǎn)生類似波動(dòng)的動(dòng)作，而康普頓頻率可以顯示這些波動(dòng)的振幅，科學(xué)家設(shè)下定義：X倍的振幅等于一秒。

　　或?qū)⒅匦露x公斤標(biāo)準(zhǔn)

　　由于現(xiàn)代技術(shù)很難直接測量康普頓頻率，所以M?ller的團(tuán)隊(duì)跳過了這個(gè)障礙。他們測量了一個(gè)較小的量，并通過這個(gè)量算出了康普頓頻率。為此，他們探究了愛因斯坦相對論中的“孿生子悖論”。這一悖論指的是一個(gè)人若以光速離開地球，再以同樣的速度返回地球，這個(gè)人就會比留在地球上的兄弟姐妹看起來更年輕。研究者使用了一個(gè)名為Ramsey-Borde的干涉儀，他們用銫原子撞擊帶有勢能的光子，并使其移動(dòng)。激光將銫原子的波長一分為二。原子的兩個(gè)波長像“孿生子悖論”說的那樣“行動(dòng)”：一個(gè)波長停在原地，另一個(gè)波長移動(dòng)后回到原點(diǎn)，回來的波長因而要比前者更加“年輕”，因?yàn)樵谝苿?dòng)的過程中它的震動(dòng)次數(shù)相對較少。

　　如果擁有銫原子的康普頓頻率，那就可以用量子力學(xué)的方程算出它的質(zhì)量。其他質(zhì)量的原子也可以據(jù)此計(jì)算。在日常生活中，我們需要更實(shí)際的質(zhì)量單位而不是某個(gè)原子的質(zhì)量，所以研究者使用了“阿佛加德羅球體”來定義一種新的公斤標(biāo)準(zhǔn)。這些球體實(shí)際上是由一定量的原子構(gòu)成的晶體。

　　目前，公斤是以一個(gè)鉑銥合金圓柱筒的質(zhì)量作為參照標(biāo)準(zhǔn)，該圓柱筒被放置于法國塞夫勒市的一個(gè)房間內(nèi)。這是最后一個(gè)用物體作為衡量標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)，專家為此憂心忡忡。他們記錄了從125年前開始的質(zhì)量變化，這也促使國際科學(xué)界在2011年呼吁采用新的公斤標(biāo)準(zhǔn)。新的“康普頓-阿佛加德羅模型”依靠不變的物理現(xiàn)象，結(jié)果顯示它是目前為止最精確的質(zhì)量校準(zhǔn)方式。