如何​用分子钟跃迁探测对称性破缺

原文作者：Eugene Wang

你可能已经听说过原子钟，它是一种利用原子能级之间的跃迁来测量时间的精密仪器。原子钟的精度非常高，可以达到每十亿年误差不超过一秒的水平。但是，原子钟并不是最精确的时钟，还有一种更先进的时钟，叫做分子钟。

分子钟是什么呢？它是一种利用分子能级之间的跃迁来测量时间的仪器。分子能级比原子能级更复杂，因为分子除了有电子能级，还有振动能级和转动能级。这些能级之间的跃迁可以产生非常稳定和敏感的频率信号，用来作为时间标准。

那么，为什么要用分子钟呢？原子钟不够好吗？其实，原子钟有一个缺点，就是它们对外界电磁场非常敏感。电磁场会影响原子能级之间的跃迁频率，导致时钟失准。为了避免这个问题，原子钟必须在非常严格的屏蔽条件下工作，这限制了它们的应用范围。

分子钟则没有这个问题，因为它们可以利用一种特殊的跃迁，叫做分子钟跃迁。这种跃迁是指两个相邻的分子能级之间的跃迁，它们具有相同的对称性和相反的电偶极矩。这样一来，这两个能级对外界电磁场的响应是完全相反的，所以它们之间的跃迁频率是不受电磁场影响的。这就是说，分子钟跃迁是场不敏感的。

既然分子钟跃迁是场不敏感的，那么它们还能用来探测什么呢？答案是：对称性破缺。对称性破缺是指自然界中存在一些现象或过程，它们不遵循某些对称性原理。比如说，我们都知道物质和反物质应该是完全对称的，但是在大爆炸之后发生了什么呢？反物质几乎全部消失了，而物质却留了下来，形成了我们现在看到的宇宙。这就是一个对称性破缺的例子，叫做物质反物质不对称。

对称性破缺是物理学中一个非常重要的课题，因为它可以帮助我们理解自然界的基本规律和原理。但是，对称性破缺很难被观测到，因为它通常只在极端的条件下才会发生，比如高能量、高温度或者高密度。所以，我们需要一些非常精密和灵敏的仪器来探测对称性破缺的微弱信号。

分子钟就是这样一种仪器。分子钟跃迁不仅是场不敏感的，还是对称性敏感的。这是因为分子钟跃迁涉及到两个具有相同对称性的能级，如果存在某种对称性破缺的效应，那么这两个能级之间的跃迁频率就会发生变化。这种变化可以被分子钟检测到，从而揭示对称性破缺的存在。

那么，分子钟能够探测哪些对称性破缺呢？答案是：很多。比如说，分子钟可以探测时间反演对称性破缺。比如说，如果你把一个电影倒着放，你会发现很多事情都不合理，比如水往上流、玻璃碎片重新拼合等等。这就说明电影中的过程不满足时间反演对称性。

时间反演对称性破缺在物理学中有一个特殊例子：电偶极矩。电偶极矩是指一个带电粒子或系统在空间中的电荷分布不均匀，导致它有一个正负两极。如果一个带电粒子或系统有电偶极矩，那么它在时间反向后就会变成相反的电偶极矩。这就说明它不满足时间反演对称性。

电偶极矩可以被分子钟探测到，因为它会影响分子能级之间的跃迁频率。具体来说，如果一个分子有电偶极矩，那么它会与外界电场产生相互作用，导致它的能级发生位移或劈裂。这样一来，分子钟跃迁就不再是场不敏感的了，而是会随着外界电场的变化而变化。通过测量这种变化，我们就可以推断出分子的电偶极矩大小和方向。

其实，电偶极矩不仅可以证明时间反演对称性破缺的存在，还可以证明其他两种对称性破缺的存在：宇称对称性破缺和荷共轭宇称对称性破缺，它们在物理学中有一个统一的名称，叫做CP对称性破缺。CP对称性破缺与时间反演对称性破缺有一个非常深刻的联系，这就是CPT定理。CPT定理是指自然界中的任何现象或过程，在空间反射、物质反物质转换和时间反向后都必须相同。这就意味着，如果存在CP对称性破缺，那么就一定存在时间反演对称性破缺，反之亦然。所以，通过探测电偶极矩，我们就可以同时探测CP对称性破缺和时间反演对称性破缺。

CP对称性破缺和时间反演对称性破缺有什么意义呢？它们可以帮助我们解决一些物理学中的重大难题，比如说物质反物质不对称问题。我们已经说过，物质和反物质应该是完全对称的，但是在大爆炸之后，反物质几乎全部消失了，而物质却留了下来。为什么会这样呢？一个可能的解释是，在大爆炸的过程中，发生了一些违反CP对称性的现象或过程，导致物质和反物质的产生和湮灭不平衡。这样一来，就会留下一些多余的物质，形成了我们现在看到的宇宙。如果我们能够探测到CP对称性破缺和时间反演对称性破缺的信号，那么我们就可以验证这个解释，并且更深入地理解大爆炸的机制。

除了探测CP对称性破缺和时间反演对称性破缺之外，分子钟还可以探测其他一些有趣的物理效应，比如说洛伦兹不变性破缺、量子引力效应等等。这些效应都涉及到自然界中最基本的原理和规律，比如说相对论、量子力学、引力等等。如果我们能够探测到这些效应的信号，那么我们就可以更好地理解自然界的运行方式，并且寻找一种能够统一所有力和粒子的理论。

你可能会问，分子钟怎么能探测到这些效应呢？答案是：通过利用一种技术，叫做工程化分子钟跃迁。这种技术是指通过人为地操纵分子的能级结构，使得分子钟跃迁具有更高的精度和灵敏度。具体来说，有两种方法可以实现这种技术：

外场调控法。这种方法是指通过施加外界的电场、磁场或光场，来改变分子能级之间的跃迁频率。这样一来，我们就可以选择一些特定的外场条件，使得分子钟跃迁达到最佳的场不敏感性和对称性敏感性。比如说，我们可以利用外界电场，来抵消分子内部的电偶极矩，从而消除电偶极矩对分子钟跃迁的影响。或者，我们可以利用外界磁场，来增强分子内部的磁偶极矩，从而增强磁偶极矩对分子钟跃迁的影响。这样一来，我们就可以更精确地探测电偶极矩和磁偶极矩的信号。

量子调控法。这种方法是指通过利用量子力学中的干涉和纠缠等现象，来制备一些特殊的分子态，使得分子钟跃迁具有更高的精度和灵敏度。比如说，我们可以利用激光脉冲，来制备一些叠加态或纠缠态的分子，从而实现一些非常稳定和敏感的干涉信号。或者，我们可以利用激光脉冲，来制备一些非常冷的分子，从而减少分子之间的碰撞和扩散，提高分子钟的稳定性。

编辑：黄飞