文/張文彥

上次跟大家談到低溫電子顯微技術這個近年發展迅速的科技，容許我們準確地察看更多種類的蛋白質，繼而幫助我們了解蛋白質的結構與功用之間的關係。今天再和大家分享另一個方向的科技發展：製造更準確的時鐘。

固定頻率輻射 原子鐘少誤時

前陣子也和大家討論過時鐘的簡略發展：從依賴大自然的固定周期(比如說太陽的移動、沙漏中沙粒的流動)，到後來人類發明了機械來計時(例如利用鐘擺的各種機械鐘)。這個時鐘的「演化史」，其實也反映出人類科技逐漸進步。

現在我們最精確的時鐘，是所謂的「原子鐘」，利用我們對原子的深入了解：原子及其他微小的粒子，原來只能夠擁有某些數量的能量(不同的粒子能夠擁有的能量卻可以不同)。這就好比每一顆微小的粒子都有一道隱形的階梯，當它吸收了適當數量的能量，就會攀上這道隱形階梯上更高的梯級;不過這些梯級之間的距離是固定的，因此這些粒子只能夠吸收剛好是兩個梯級相差的能量。

同樣道理，當這些粒子從較高的梯級下降到更低的梯級，就會釋放出兩個梯級相差的能量。假如這些固定的能量以光和輻射的形式被釋放出來，這些輻射的頻率也會是固定，因為輻射的能量愈大，其相對應的頻率也會愈高。固定頻率的輻射，就好像一個十分精準的鐘擺，為我們帶來極其準確的原子鐘：倘若在宇宙開始之時我們就有原子鐘，到了今天它們應該還不會誤差超過一秒鐘。

應用愛因斯坦理論 量度離子頻率質量

不過我們並不滿足於此，還希望能造出更精準的時鐘。一直以來，我們的原子鐘都利用不帶電的原子或略為帶電的離子，然而科學家已在研究，帶大量電荷的離子應該能用來製作更準確的計時器。

不過，要達成這個目標，我們先需要解決一個問題：我們要清楚量度這些離子的「能量梯級」，好讓我們能夠知道它們釋放的輻射是什麼頻率。然而，這些離子一般很少釋放這些輻射，以致要直接量度它們的頻率並不容易。

馬克斯.普朗克核物理研究所的Schussler和她的研究夥伴想到了另一個方法：根據愛因斯坦的著名公式，E=mc2，擁有愈多能量的東西，其實代表它們有愈高的質量，因此除了直接量度這些「能量梯級」，我們可以找出在不同「能量梯級」上的離子，再量度它們的質量。Schussler的團隊用電磁場將這些離子固定起來，不讓「四處走動」，而只會在原地繞圈。不過它們繞圈的頻率與這些粒子的質量有關：質量高的粒子也就較重，動起來自然較慢、頻率較低。因此量度它們繞圈的頻率，我們就可以知道它們的質量，再找出它們的能量。

Schussler的團隊將這個方法用於錸 (Rhenium)這種金屬的離子之上，量度了它的「能量階梯」。可惜的是看來這種離子並不適合用於計時器。不過，這已證明了這個量度方法真的有用，下一步就是尋找適當的離子了。

短暫任職見習土木工程師後，決定追隨對科學的興趣，在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位，修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師，教授基礎科學及通識課程，不時參與科學普及與知識交流活動。

（作者為：香港大學理學院講師）