如何?用分子鐘躍遷探測對稱性破缺

原文作者：Eugene Wang

你可能已經聽說過原子鐘，它是一種利用原子能級之間的躍遷來測量時間的精密儀器。原子鐘的精度非常高，可以達到每十億年誤差不超過一秒的水平。但是，原子鐘并不是最精確的時鐘，還有一種更先進的時鐘，叫做分子鐘。

分子鐘是什么呢？它是一種利用分子能級之間的躍遷來測量時間的儀器。分子能級比原子能級更復雜，因為分子除了有電子能級，還有振動能級和轉動能級。這些能級之間的躍遷可以產生非常穩定和敏感的頻率信號，用來作為時間標準。

那么，為什么要用分子鐘呢？原子鐘不夠好嗎？其實，原子鐘有一個缺點，就是它們對外界電磁場非常敏感。電磁場會影響原子能級之間的躍遷頻率，導致時鐘失準。為了避免這個問題，原子鐘必須在非常嚴格的屏蔽條件下工作，這限制了它們的應用范圍。

分子鐘則沒有這個問題，因為它們可以利用一種特殊的躍遷，叫做分子鐘躍遷。這種躍遷是指兩個相鄰的分子能級之間的躍遷，它們具有相同的對稱性和相反的電偶極矩。這樣一來，這兩個能級對外界電磁場的響應是完全相反的，所以它們之間的躍遷頻率是不受電磁場影響的。這就是說，分子鐘躍遷是場不敏感的。

既然分子鐘躍遷是場不敏感的，那么它們還能用來探測什么呢？答案是：對稱性破缺。對稱性破缺是指自然界中存在一些現象或過程，它們不遵循某些對稱性原理。比如說，我們都知道物質和反物質應該是完全對稱的，但是在大爆炸之后發生了什么呢？反物質幾乎全部消失了，而物質卻留了下來，形成了我們現在看到的宇宙。這就是一個對稱性破缺的例子，叫做物質反物質不對稱。

對稱性破缺是物理學中一個非常重要的課題，因為它可以幫助我們理解自然界的基本規律和原理。但是，對稱性破缺很難被觀測到，因為它通常只在極端的條件下才會發生，比如高能量、高溫度或者高密度。所以，我們需要一些非常精密和靈敏的儀器來探測對稱性破缺的微弱信號。

分子鐘就是這樣一種儀器。分子鐘躍遷不僅是場不敏感的，還是對稱性敏感的。這是因為分子鐘躍遷涉及到兩個具有相同對稱性的能級，如果存在某種對稱性破缺的效應，那么這兩個能級之間的躍遷頻率就會發生變化。這種變化可以被分子鐘檢測到，從而揭示對稱性破缺的存在。

那么，分子鐘能夠探測哪些對稱性破缺呢？答案是：很多。比如說，分子鐘可以探測時間反演對稱性破缺。比如說，如果你把一個電影倒著放，你會發現很多事情都不合理，比如水往上流、玻璃碎片重新拼合等等。這就說明電影中的過程不滿足時間反演對稱性。

時間反演對稱性破缺在物理學中有一個特殊例子：電偶極矩。電偶極矩是指一個帶電粒子或系統在空間中的電荷分布不均勻，導致它有一個正負兩極。如果一個帶電粒子或系統有電偶極矩，那么它在時間反向后就會變成相反的電偶極矩。這就說明它不滿足時間反演對稱性。

電偶極矩可以被分子鐘探測到，因為它會影響分子能級之間的躍遷頻率。具體來說，如果一個分子有電偶極矩，那么它會與外界電場產生相互作用，導致它的能級發生位移或劈裂。這樣一來，分子鐘躍遷就不再是場不敏感的了，而是會隨著外界電場的變化而變化。通過測量這種變化，我們就可以推斷出分子的電偶極矩大小和方向。

其實，電偶極矩不僅可以證明時間反演對稱性破缺的存在，還可以證明其他兩種對稱性破缺的存在：宇稱對稱性破缺和荷共軛宇稱對稱性破缺，它們在物理學中有一個統一的名稱，叫做CP對稱性破缺。CP對稱性破缺與時間反演對稱性破缺有一個非常深刻的聯系，這就是CPT定理。CPT定理是指自然界中的任何現象或過程，在空間反射、物質反物質轉換和時間反向后都必須相同。這就意味著，如果存在CP對稱性破缺，那么就一定存在時間反演對稱性破缺，反之亦然。所以，通過探測電偶極矩，我們就可以同時探測CP對稱性破缺和時間反演對稱性破缺。

CP對稱性破缺和時間反演對稱性破缺有什么意義呢？它們可以幫助我們解決一些物理學中的重大難題，比如說物質反物質不對稱問題。我們已經說過，物質和反物質應該是完全對稱的，但是在大爆炸之后，反物質幾乎全部消失了，而物質卻留了下來。為什么會這樣呢？一個可能的解釋是，在大爆炸的過程中，發生了一些違反CP對稱性的現象或過程，導致物質和反物質的產生和湮滅不平衡。這樣一來，就會留下一些多余的物質，形成了我們現在看到的宇宙。如果我們能夠探測到CP對稱性破缺和時間反演對稱性破缺的信號，那么我們就可以驗證這個解釋，并且更深入地理解大爆炸的機制。

除了探測CP對稱性破缺和時間反演對稱性破缺之外，分子鐘還可以探測其他一些有趣的物理效應，比如說洛倫茲不變性破缺、量子引力效應等等。這些效應都涉及到自然界中最基本的原理和規律，比如說相對論、量子力學、引力等等。如果我們能夠探測到這些效應的信號，那么我們就可以更好地理解自然界的運行方式，并且尋找一種能夠統一所有力和粒子的理論。

你可能會問，分子鐘怎么能探測到這些效應呢？答案是：通過利用一種技術，叫做工程化分子鐘躍遷。這種技術是指通過人為地操縱分子的能級結構，使得分子鐘躍遷具有更高的精度和靈敏度。具體來說，有兩種方法可以實現這種技術：

外場調控法。這種方法是指通過施加外界的電場、磁場或光場，來改變分子能級之間的躍遷頻率。這樣一來，我們就可以選擇一些特定的外場條件，使得分子鐘躍遷達到最佳的場不敏感性和對稱性敏感性。比如說，我們可以利用外界電場，來抵消分子內部的電偶極矩，從而消除電偶極矩對分子鐘躍遷的影響?；蛘?，我們可以利用外界磁場，來增強分子內部的磁偶極矩，從而增強磁偶極矩對分子鐘躍遷的影響。這樣一來，我們就可以更精確地探測電偶極矩和磁偶極矩的信號。

量子調控法。這種方法是指通過利用量子力學中的干涉和糾纏等現象，來制備一些特殊的分子態，使得分子鐘躍遷具有更高的精度和靈敏度。比如說，我們可以利用激光脈沖，來制備一些疊加態或糾纏態的分子，從而實現一些非常穩定和敏感的干涉信號?；蛘?，我們可以利用激光脈沖，來制備一些非常冷的分子，從而減少分子之間的碰撞和擴散，提高分子鐘的穩定性。

編輯：黃飛