銫原子鐘，是現時美國時間和頻率的標準。 網上圖片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。■張文彥 香港大學理學院講師
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。