2022年11月5日 星期六

科學家們發現全新的時間測量方法

 Image©in-future/Getty Images

時鐘滴答聲和鐘擺是最早期、最簡單的時間測量法,長久以來發展成更精密的計時工具,但在電子的量子尺度上,一切是模糊而不確定的,在某些情況下,即使最精密的計時工具也無能為力。

瑞典 Uppsala 大學物理學家 Marta Berholts 認為,或許可以從量子狀態下的波干涉型態找到解決方案。研究小組在稱為賴德伯格狀態(Rydberg state)的波實驗中,發展出一種不需要精確起始點就可以對時間進行測量的新方法。

賴德伯格原子就像粒子世界中過度膨脹的氣球,其中的電子被激發到極高能量狀態,在遠離原子核的軌道上運行。實驗中以雷射將原子激發至賴德伯格原子狀態,並以另一組雷射來監測電子位置的變化與計時。這種 "泵探 "(pump-probe)技術可以用來測量某些超快電子的速度。

不過這些在量子尺度下的電子可不像算盤上自由滑動的珠子,而更像賭桌輪盤中的骰子,每一次滾動和跳躍的結果都有一定的機率分布型態,而機率分布就是賴德伯格波包,它們就像池塘中的水波一樣,當多個賴德伯格波包在空間中運動時也會互相干涉,並產生獨特的波模式,而每個獨特模式都是波包在特定時間內發展出來的。物理學家便可根據這些時間的"指紋"作為一種量子時間戳記。

使用這種方式計時不像傳統計數器,必須先定義零點,也就是計時的起始點,只要看一下干涉波紋便可知道過了多少時間,在測量微小尺度事件時特別有用,科學家甚至可以藉此測量到1.7萬億分之一秒的時間。

Physical Review Research

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