地球上的原子钟能够揭露宇宙中的暗物质的秘密

原子钟让科学家对超轻粒子的研究落到了实处，这使得宇宙学和天体物理学不再是一纸空谈。

（左）在英国国家物理研究所应用 的原子钟 （右）子弹星云两个星系碰撞，他们在图中显示的形态揭示了暗物质的存在。

科学家们在使用原子钟研究一些宇宙中最让我们难以捉摸的秘密，包括在实验室中科学家研究暗物质的原理。原子钟运用到研究中，让科学家感受到它真正让宇宙学和天体物理学落到了实处。

在这一项由苏塞克斯大学和英国国家物理研究所合作完成的项目中，研究者就使用了原子钟来捕捉目前人类未知的超轻粒子。

研究表明，这些捕捉的粒子可以和暗物质联系在一起。这种神秘物质占据了宇宙所有物质的85%，但是因为它们不反射光，确切来说，它们不反射任何电磁辐射，所以它们对我们完全不可视。很多科学家相信引力是暗物质作用的结果。但是到现在，这个观点仅仅是由他对引力影响现象推测出来的。

“如我们所知，我们的宇宙的运行由物理法则统治。所以重力现象的解释权在广义相对论和粒子物理标准模型中的理论。”夏威尔·卡米特，这个项目的领导人兼苏塞克斯大学的物理学教授，对“宇宙”是这样说的。“我们把违背这些基本法则的现象叫做‘物理学崩溃’，——这样，这一个‘新物理’的同义词超出了当前我们对于物理学的理解。”另外，这种“新物理”可以用来解释目前的理论模型不能解释的的关于暗物质的原理。

“现在我们最大的一个谜仍是暗物质的原理。我们都知道，他们就在那里。我们能够看到他们对我们的宇宙的影响，但是我们还不能用现有的粒子物理理论模型给暗物质的运行一个合理的解释。”卡梅拉继续说道。“‘新物理’一定是存在的，但是我们还不知道怎样解释这些新物质与我们常见的物质相互作用的原理。”

“新物理”是怎样被原子钟发现的？

根据目前有的物理学公法，钟一般都会用一个常见的速度发出“滴答”声，但是一些超越这些物理理论模型的“新物理”的能量源会用对于他们而言微不足道的力量赋予原子钟强大的原子能。这种力量是原子钟震动的速度大大加快，但是如果只用一个我们平常用的小钟去实现，我们观察到这一个现象的概率会很小。因此，我们又发明了原子钟。

在每个原子钟，一群原子会被科学家用微波放置在比常态更高的能态，并保持原来的振动频率。这个频率是原子振动最典型，最常见的频率，也是他们之间的共振频率——我们常常用这个频率测量时间。

比如，一群铯原子以同样的频率发生共振，919263170次的振动用时就是我们常用的一秒钟。这种每秒循环变化的原子震动比钟摆振动的幅度要小得多，所以这种原子钟会变得惊人的精准。

“近些年，有些科学家认为暗物质可能是由超轻粒子构成的，这使得暗物质与我们常见的物质仅能发生微弱的反应。”卡梅隆说，“这样的反应真的发生时，暗物质反应时发出的波至少就像和电子和质子反应那样，用一种很常见的频率振动。此时，暗物质对这些粒子会进行一些‘小扰动’。”

卡梅隆还补充道，这些超径粒子对原子各个组成部分的碰撞会造成宇宙钟基本常量的时间扭曲。比如精细结构常数和“阿尔法”，在强粒子借助电磁力和质子作用下发生耦合这一现象中，承担了测量工具的角色。

“因为原子钟是非常精准的仪器，他能够检测到这些微小的碰撞，所以暗物质能被原子钟观测到。”卡梅隆说。“通过对比两台不一样的原子钟的数据，其中一台对数据敏感的同时另外一台不然，我们能对基本常量的时间扭曲进行限制，从而来限制超轻粒子，最终得到我们需要的观测数据，解开暗物质的秘密。”

他还认为这项技术还可以推广到其他物理学家，帮助解开许多其他未知的物理现象，比如暗能量——一种一直让我们的宇宙加速膨胀的力量。这些问题对于我们了解和研究宇宙非常重要。

卡梅隆承认了暗能量更应当用宇宙学常量解释的同时，又存在着一种作用效果完全与引力相反的能量——它能够使宇宙空间延展和将不同星系“拉开距离”，这使得暗能量能够与超轻粒子联系起来的机会微乎其微。

“尽管原子钟还未在发现‘新物理’中取得成就，但是我们已经能够通过它建立起一套新的理论去探测‘新物理’，而且我们的‘老物理’也因此有了独立成理论系统的限制，从而变得更加精确了。”卡梅隆最后这样总结。“在我们人类探索原子，分子，光学，和传统粒子物理的相互关系中，原子钟为我们打开了一个新领域。”

BY:Robert Lea

FY：E-橘

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来源: 天文在线