原子钟可用于研究磁体内部电子量子行为

【美国《洛杉矶时报》8月8日报道】题：资料显示2012年是美国zui热一年。

2012年，北极的冰盖面积为130万平方英里，到本世纪50年代，其冰盖面积可能将减少到40万平方英里，对商业航行来说，这基本上可以被认为是“没有冰面”了。

从其对野生生物的潜在影响到对人类健康的影响，人们对变暖的担忧一直有据可查。而一个由美国和中国科学家组成的研究小组说，随着冰盖的融化和温度的升高，北极可能会在本世纪50年代出现无冰的夏天。

在zui近发表在《国家*学报》月刊上的一篇研究论文中，奥尔巴尼大学教授刘季平（音）和他的研究小组用气候模型预测出，北极到2054年可能达到无冰状态。当冰盖面积小于100万平方公里（约38.6万平方英里）时，该地区就可以看作是无冰的。2012年，北极的冰盖面积降至约130万平方英里的历史新低。

9月份是北极的夏天，在这个时候冰盖面积一般是zui小的，而且过去几十年来都在急剧减少，自上世纪70年代末至今已经减少了约40%。就在2007年到2012年期间，9月份的北极冰盖面积出现了有史以来zui小的情况。

“无冰的北极将对海洋的生态系统、生物地球化学反馈，以及中高纬度地区的气候和天气产生重要影响，”刘在一份声明中说，“这也将影响北极的海事和商业活动，包括航运、交通和能源开发。”

美国气象学会本周报告说，2012年是19世纪以来有记录的*zui热年份之一，也是美国zui热的一年。2012年美国的平均温度为55华氏度（约12.8摄氏度）左右，高于此前2006年54.3华氏度的记录，也高于整个20世纪的平均温度。

气候变化将对野生生物、天气模式和整个环境产生负面影响，而温度升高和冰层水平降低则将对商业旅行甚至就业产生影响。

据《新科学家》杂志网络版近日报道，世界上zui的计时器原子钟又添了一个新功能：科学家可将它用作量子模拟器，来研究磁体内部电子的量子行为，以更深入地了解量子世界的奥秘。相关论文发表在近日出版的《科学》杂志上。

物理学中有许多难以解答的问题，因为它们的基本行为受错综复杂的量子力学规则支配，比如电子之间的量子相互作用产生的磁性，就很难进行计算机模拟。目前，固体内部电子的行为可以利用冷却到高于零度（零下273.15℃）万亿分之几摄氏度的原子进行物理建模，其比电子本身更大、更容易操控，是开展实验的理想工具。但这种手段面临的主要障碍是，超低温条件在实验室中不太容易实现。

现在，美国天体物理联合实验室的理论家安娜·玛丽亚·雷伊和她的研究团队，在实验中偶然发现了一种可以在高出几个量级的温度条件下模拟量子行为的方法——利用原子钟。

原子钟是通过一组原子在两个不同能级之间的跃迁来计时的。该研究小组原本只是研究锶原子钟。当激光将能量泵入时，锶原子就会以一定的频率在基态和激发态之间振荡，也就是原子钟计时的“节拍”。为了增强原子钟的信号，研究人员尝试着增加原子的数量，但这反而降低了计时的精度，因为原子间的相互作用有时候会改变能量跃迁的“钟摆”节律。

从数学角度来说，这些原子的行为很像磁性材料中的电子的表现。电子有自旋特性，可以直观地用箭头朝上（自旋向上）和箭头朝下（自旋向下）来描述。在一个磁体中，由于电子之间的量子相互作用，所有的自旋都是指向同一个方向的，不过人们对这种量子相互作用仍知之甚少。

雷伊说，处于基态的锶原子可被用来模拟自旋向下的电子，处于激发态的原子则代表自旋向上的电子。追踪这些原子间相互作用的出现及其细节，有望为揭示磁体中电子的量子相互作用的性质提供线索。zui重要的是，与通常构建的模拟电子行为的原子网络不同，原子钟可以在高于零度百万分之几摄氏度这一相对温和的温度条件下工作。

没有参与这项研究的哈佛大学的米哈伊尔·卢金评论说：“这项研究可以为自旋系统的量子动力学带来基本的新见解。”这对于原子钟也是好消息，他补充说，了解原子如何相互作用，有助于打造更加准确的计时器。