【科學講堂】多國協力研核子鐘 精確量度物理常數
大家應該有聽過原子鐘，不知道有沒有聽說過「核子鐘」？這是近年正在研發的計時器，若成功製作，人類就能更為精準地探索大自然物理常數有否隨時間改變。今次就來看看最近的發展。
用輻射頻率可以測時間?
量度時間一直是人類展現創新能力的領域，早期是「立竿見影」，運用日冕來追蹤太陽的行徑以量度時光的流逝；或是察看月亮的圓缺，以便知道是月中還是月尾。其後機械時代來臨，出現了鐘擺和愈發複雜的鐘錶，隨着我們對物料的認識加深，更發展出石英鐘這類更加精準的計時器。
現今最準確的計時技術為原子鐘，它基於量子力學的原理工作，每顆原子中的電子只可以擁有特定數量的能量，因此當這些電子以輻射的方式釋放能量的時候，被釋放出來的輻射也只可以擁有特定的能量和頻率。這個固定的輻射頻率，就適合用來準確地量度時間。銫（caesium）原子發出的輻射在微波的範圍，就被運用來製造銫原子鐘。
銫原子鐘是現今全球量度時間的標準，把各大洲的時間同步至起碼16個數位的準確度，確保全球定位系統的誤差被限制在1米之內。
為了讓計時器的精度更進一步，科學家們正在開發更小、能量更高的原子核。原子核比整顆原子小10萬倍，所以受周邊環境的影響會更小。一般來說原子核釋放出來的輻射，其頻率會比原子的高至少1萬倍，也許超出了現在我們能夠駕馭的範圍。幸好，釷（thorium）-229這種原子核是個例外，一直是研究人員關注的對象。
利用釷-229這種原子核製作核子鐘的研發，集合了多國研究團隊的努力。
首先，科學家們要尋找合適的材料，把多枚釷-229原子核穩定地排列起來。這種材料要能夠減少不必要的電子被釋放出來，以免成為干擾；另一方面，這種物料又不能阻隔實驗中會用到的紫外光。一個奧地利科研團隊善用了他們製作晶體的專長，成功製成了符合要求的氟化鈣晶體。
這些晶體其後被運到瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織（簡稱CERN）。當地的科技人員將足夠數量的釷-229原子核「移植」進這些晶體中，確保來自它們的輻射能夠清楚地被偵測到，也幫助科學家們更精準地確認，多少能量的紫外光才能激發釷-229原子核的活動。
最後，德國和美國的科研團隊製造了足夠強力的紫外激光去激發這些釷-229原子核，從而令其放射出幾種穩定的輻射。這些輻射的頻率高達2拍赫茲（「拍」就是peta，是1以後加上15個零的大數目），準確至首12個數位。
小結
這次分享的科研成果，開啟了製造準確計時器的新方法。當中牽涉到的原子核，更可能用到量子電腦之中。如此準確的時鐘，探索宇宙時也會派上用場。原子核釋放輻射，關聯到電子和光線互相影響的強弱，這個影響的強度會不會隨時間改變？如果持續檢測釷-229原子核的輻射，應該就能解答這個有關宇宙的根本問題。
●杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。
