中科大重磅成果“秒”或被重新定義怎么解讀
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中科大重磅成果“秒”或被重新定義怎么解讀?
近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉及其同事張強、姜海峰、彭承志等與上海技物所、新疆天文臺等單位合作，首次在國際上實現(xiàn)百公里級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗，實驗結(jié)果有望對暗物質(zhì)探測、物理學基本常數(shù)檢驗、相對論檢驗等基礎(chǔ)物理學研究產(chǎn)生重要影響。該成果于北京時間10月5日晚在國際學術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。#秒或被重新定義#
在科學領(lǐng)域，時間的測量精度已經(jīng)步入10的負19次方量級，也就是百億年，誤差不到1秒。作為七大基本物理量之一的時間，是目前測量最精確的物理量。有最精確的計時，還要有與之精度相匹配的時間傳遞技術(shù)，兩者同樣重要。
地面附近自由空間的環(huán)境復雜，大氣中的各種擾動和湍流、鏈路損耗、環(huán)境變化等等因素給自由空間中的長距離時頻傳遞帶來了極大困難。之前，自由空間中的光頻傳輸技術(shù)只能實現(xiàn)10公里量級的傳輸距離。
中國科學技術(shù)大學團隊向這一難題發(fā)起挑戰(zhàn)。在光源方面，研制出高功率高穩(wěn)定度光梳，在光信號收發(fā)信道方面，研制出高穩(wěn)定性且高效率的光收發(fā)望遠鏡系統(tǒng)，另外采用線性光學采樣的干涉測量方式實現(xiàn)高精度的時間測量。經(jīng)過一系列技術(shù)攻關(guān)，終于在相隔113公里的新疆南山天文臺和高崖子天文臺之間實現(xiàn)了萬秒10的負19次方量級穩(wěn)定度的時頻傳遞。
時間的精確測量和傳遞，將使人們能夠?qū)ο鄬φ撛怼⒏鞣N引力理論、暗物質(zhì)模型等等基礎(chǔ)物理進行實驗檢驗。同時這也和我們的生活密切相關(guān)，例如，衛(wèi)星的導航精度與計時精度緊密相關(guān)，要想定位更準確，比如精確到毫米以下，就需要更好的計時精度。在大地測量、地質(zhì)勘探、雷達探測等等涉及社會民生的領(lǐng)域，精確的時間也都將發(fā)揮重要作用。
現(xiàn)在“秒”的定義是1967年確定的，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國際計量組織計劃2026年討論“秒”定義的變更。
暗物質(zhì)是什么?
幾十年前，暗物質(zhì)剛被提出來時僅僅是理論的產(chǎn)物，但是現(xiàn)在我們知道暗物質(zhì)已經(jīng)成為了宇宙的重要組成部分。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時更重要的是，暗物質(zhì)主導了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個謎，但是如果假設(shè)它是一種弱相互作用亞原子粒子的話，那么由此形成的宇宙尺度結(jié)構(gòu)與觀測相一致。不過，最近對星系以及亞星系結(jié)構(gòu)的分析顯示，這一假設(shè)和觀測結(jié)果之間存在著差異，這同時為多種可能的暗物質(zhì)理論提供了用武之地。通過對小尺度結(jié)構(gòu)密度、分布、演化以及其環(huán)境的研究可以區(qū)分這些潛在的暗物質(zhì)模型，為暗物質(zhì)本性的研究帶來新的曙光。
大約65年前，第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。當時，弗里茲·扎維奇(Fritz Zwicky)發(fā)現(xiàn)，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。之后幾十年的觀測分析證實了這一點。盡管對暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質(zhì)以被廣為接受了。
在引入宇宙暴漲理論之后，許多宇宙學家相信我們的宇宙是平直的，而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的(這一臨界值用于區(qū)分宇宙是封閉的還是開放的)。與此同時，宇宙學家們也傾向于一個簡單的宇宙，其中能量密度都以物質(zhì)的形式出現(xiàn)，包括4%的普通物質(zhì)和96%的暗物質(zhì)。但事實上，觀測從來就沒有與此相符合過。雖然在總物質(zhì)密度的估計上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質(zhì)的總量達到臨界值，而且這一觀測和理論模型之間的不一致也隨著時間變得越來越尖銳。
當意識到?jīng)]有足夠的物質(zhì)能來解釋宇宙的結(jié)構(gòu)及其特性時，暗能量出現(xiàn)了。暗能量和暗物質(zhì)的唯一共同點是它們既不發(fā)光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，象普通的物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)是引力自吸引的，而且與普通物質(zhì)成團并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中幾乎均勻的分布。所以，在統(tǒng)計星系的能量時會遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測到的物質(zhì)密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70-80%的差異。之后，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量占主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP)的觀測也獨立的證實了暗能量的存在，并且使它成為了標準模型的一部分。
暗能量同時也改變了我們對暗物質(zhì)在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質(zhì)的宇宙中，物質(zhì)密度決定了宇宙的幾何，以及宇宙的過去和未來。加上暗能量的話，情況就完全不同了。首先，總能量密度(物質(zhì)能量密度與暗能量密度之和)決定著宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經(jīng)從物質(zhì)占主導的時期過渡到了暗能量占主導的時期。大約在"大爆炸"之后的幾十億年中暗物質(zhì)占了總能量密度的主導地位，但是這已成為了過去。現(xiàn)在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所決定，它目前正時宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態(tài)，否則這種加速膨脹態(tài)勢將持續(xù)下去。
不過，我們忽略了極為重要的一點，那就是正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒有暗物質(zhì)就不會形成星系、恒星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙盡管在極大的尺度上表現(xiàn)出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恒星、星系、星系團、巨洞以及星系長城。而在尺度上能過促使物質(zhì)運動的力就只有引力了。但是均勻分布的物質(zhì)不會產(chǎn)生引力，因此今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)必然源自于宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景輻射(CMB)中留下痕跡。然而普通物質(zhì)不可能通過其自身的漲落形成實質(zhì)上的結(jié)構(gòu)而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因為那時普通物質(zhì)還沒有從輻射中脫耦出來。
另一方面，不與輻射耦合的暗物質(zhì)，其微小的漲落在普通物質(zhì)脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質(zhì)脫耦之后，已經(jīng)成團的暗物質(zhì)就開始吸引普通物質(zhì)，進而形成了我們現(xiàn)在觀測到的結(jié)構(gòu)。因此這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這里需要的物質(zhì)就是冷暗物質(zhì)，由于它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。
在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最后一件重要的事情。對于先前提到的小擾動(漲落)，為了預言其在不同波長上的引力效應，小擾動譜必須具有特殊的形態(tài)。為此，最初的密度漲落應該是標度無關(guān)的。也就是說，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都應該是相同的。暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動力學出發(fā)機制來形成這樣一個標度無關(guān)的小擾動譜(其譜指數(shù)n=1)。WMAP的觀測結(jié)果證實了這一預言，其觀測到的結(jié)果為n=0.99±0.04。
但是如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能說我們已經(jīng)了解了宇宙?，F(xiàn)在已經(jīng)知道了兩種暗物質(zhì)--中微子和黑洞。但是它們對暗物質(zhì)總量的貢獻是非常微小的，暗物質(zhì)中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚。這里我們將討論暗物質(zhì)可能的候選者，由其導致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)。
相對論簡介
相對論是關(guān)于時空和引力的基本理論，主要由阿爾伯特·愛因斯坦創(chuàng)立，依據(jù)研究的對象不同分為狹義相對論和廣義相對論。相對論的基本假設(shè)是相對性原理，即物理定律與參照系的選擇無關(guān)。狹義相對論和廣義相對的區(qū)別是，前者討論的是勻速直線運動的參照系(慣性參照系)之間的物理定律，后者則推廣到具有加速度的參照系中(非慣性系)，并在等效原理的假設(shè)下，廣泛應用于引力場中。相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”、“四維時空”、“彎曲時空”等全新的概念。它發(fā)展了牛頓力學，推動物理學發(fā)展到一個新的高度。