除了为我们提供最准确的时间，一台精密的原子时钟还有哪些出人意料的应用？答案是，成为一台暗物质探测器。通过探测原子跃迁频率，一批科学家试图用这类最小的探测器，找出暗物质的踪迹。
撰文 | Gabriel Popkin
翻译 | 李昌浩
审校 | 吴非
上世纪90年代末，在美国科罗拉多大学博尔德分校的JILA研究所，年轻的物理学家叶军作出了一个极大影响他人生轨迹的决定：投身于开发全世界最精密的原子钟。他花了不少精力去研究不同的原子，例如镁原子、钙原子和钡原子，最终他选择了性质较为稳定的锶原子。之后，他开始搭建一个以合适频率激发锶原子的激光平台，它的工作原理就像普通钟表的振荡器一样。
但叶军不知道的是，他设计的原子钟同时也是一台暗物质探测器。2015年4月，他收到一封澳大利亚南威尔士大学物理学家Victor Flambaum的邮件，在邮件中Flambaum告诉叶军，根据一些理论，暗物质可能会略微改变物理定律常数，从而改变时钟运行速度。但由于暗物质的影响非常微弱，一般的时钟根本探测不到这一现象。叶军开发的最新一代时钟（精度比第一版提升了两万倍）是世界上为数不多的能够探测这一极为细微现象的仪器之一。
现在，叶军正通过世界上最不寻常的实验之一，搜寻暗物质的踪迹。科学家认为宇宙中暗物质的含量大约是普通物质的5倍，但目前只能通过观测它对天体的引力来推测其含量。通过精密测量原子钟的频率是否发生改变，研究者可以揭示暗物质粒子和原子内部组成之间的相互作用。这样的发现很有可能会震惊物理学界。
越来越多的物理学家认为高能粒子对撞机并不是解决物理领域终极问题的唯一方案，Flambaum和叶军就在其中。与对撞机实验不同的是，他们利用精细控制下的原子和激光，去聆听宇宙之弦发出的轻柔乐声。尽管这样的实验可能只需要占用一张桌子的面积，但物理学家正在证明，它们足以用来探测暗物质、观察相对论效应、研究其他的基础物理领域，甚至最终可以探测引力波和量子引力。
“人们总是问我，你觉得这样的原子钟有什么实际用途？GPS？他们通常会用很实际的眼光看待时钟，”叶军说，“对于我而言，时钟最令人兴奋的方面总是在于研究基础物理。”
寻找alpha常数
故事要从一次令物理学界震惊的，对源自宇宙深处的光线的测量开始讲起。在上世纪90年代末，Flambaum的同事，天体物理学家John Webb发现宇宙深处的一个星系传来的光线频率与理论预测不符。观测结果表明，在Webb研究的这个星系中，精细结构常数（fine-structure constant）与在地球上的测量结果大不相同。
自从1916年Arnold Sommerfeld对氢原子的量子力学结构进行分析后，（在此之前三年，尼尔斯·玻尔刚刚发表了突破性的原子核-电子模型）精细结构常数对于物理学家一直就是一个谜。Sommerfeld把这个常数叫做alpha，它表征了电磁相互作用的强度。电磁相互作用几乎存在于日常生活中随处可见的一切现象中，例如光、电、摩擦、燃烧，是物理学中的基本作用力之一。
尽管Sommerfeld对刚出现的量子理论做了很大的完善，他的理论中所包含的alpha常数仍然在接下来的一个世纪中困扰着物理学家。正如它的名字alpha所暗示的一样，它亟待被修复或替代。对于物理学家来说，他们总是希望自己的理论是完备的，理论中出现一个看似随机的常数确实是一个大问题。曾获得诺贝尔物理学奖的美国物理学家理查德·费曼写道：“所有优秀的理论物理学家都在试图探寻这个常数的意义。”
从保罗·狄拉克在1937年发表的论文开始，理论物理学家指出，alpha或者质子/电子质量比这样的基本常数一旦发生改变，现代物理理论的基石（如相对论）将产生裂隙。精细结构常数最终变成了标准模型中20多个经验常数中的一个。标准模型是目前最接近于在基础层面上完整描述宇宙的理论。一个自身变化的“常数”可能暗示着在引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用之外，还有第五种基本相互作用存在。换句话说，非定值的alpha可能是通向未知的一扇大门。