人们认为暗物质构成了宇宙中约五分之六的物质。然而，令人难以置信的是，从有史以来建造的最强大的原子对撞机到装满冰冷液态氙的大桶，各种复杂的项目都没有发现它的踪迹。但现在，一些科学家希望利用原子钟——有史以来最精确的计时器，来帮助解释这种难以捉摸的现象。
许多物理学家认为暗物质是一种看不见的物质，其预测的对已知物质的引力效应将有助于解释各种宇宙谜团，例如为什么星系可以以如此快的速度旋转而不会飞散。然而，尽管它对宇宙的结构显然具有巨大的重要性，但没有人确切地知道它可能由什么构成或来自哪里。周一，波兰的一组物理学家在《自然天文学》杂志上发表了一项研究，该研究表明，原子钟“滴答”速度的波动可能有助于揭示明显的暗物质如何影响已知物质。
科学家们已经基本排除了所有已知的粒子作为暗物质的可能解释。这表明它可能由一种不属于物理学标准模型的粒子组成，而标准模型是我们目前对亚原子世界的最佳工作描述。另一种可能性是暗物质根本不是由粒子组成的；相反，它是一个场，像引力一样渗透到空间中。之前的研究表明，这种暗物质场中可能会出现结构——形状像单点、弦或片状的稳定的“拓扑缺陷”。这些结构可能是在大爆炸后的热混沌时期形成的，并且在早期宇宙冷却下来时基本上冻结成了稳定的形式。
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如果地球穿过这样的拓扑缺陷（研究人员表示，原则上它至少可以达到行星大小），它可能会引发一些有史以来最精确的科学仪器可以检测到的变化：原子钟。这些机器通过监测原子的摆动来计时，就像老式座钟依靠摆动的钟摆一样。现代原子钟非常精确，以至于它们每150亿年最多只会损失一秒，这比人们认为的宇宙存在时间138亿年还要长。
根据内华达大学里诺分校的理论物理学家安德烈·德雷维扬科和安大略省圆周理论物理研究所的马克西姆·波斯佩洛夫之前的研究，穿过拓扑缺陷可能会使原子钟的原子暂时摆动得更快或更慢。德雷维扬科和波斯佩洛夫表示，通过观察一个足够分散的同步原子钟网络，使得拓扑缺陷可以影响一些时钟而不影响其他时钟，科学家可以检测到拓扑缺陷的存在并测量它的一些属性。
但在周一的《自然天文学》报告中，波兰尼古拉·哥白尼大学的物理学家皮奥特·维西沃和他的同事认为，单个原子钟可能足够敏感，可以揭示暗物质的性质。研究人员分析了拓扑缺陷如何影响单个光学原子钟，该原子钟使用可见激光束来测量原子在被冷却到接近绝对零度的温度时的运动。研究人员的模型表明，穿过拟议的暗物质场中的缺陷可能会增加或减少电磁力的整体强度，这反过来会改变原子对照明的反应方式。
德雷维扬科和波斯佩洛夫已经表明，至少需要两个原子钟才能检测到拓扑缺陷的影响。根据该模型，“如果我们想看到一个时钟滴答得更快或更慢，我们需要有另一个时钟作为参考，”维西沃说。但他和他的同事建议，或许可以观察单个光学原子钟中的两个元素：其超冷的振动原子以及激光在其内部确定原子振动频率的腔室。穿过拓扑缺陷可能会导致振动原子和腔室内的激光频率都发生可测量的变化。
维西沃和他的同事使用光学原子钟进行了实验来测试他们的想法。他们的发现将原子与拓扑缺陷之间任何相互作用的强度之前的限制提高了千倍以上。维西沃说，如果光学原子钟能够发现任何拓扑缺陷的迹象，“它就可以为现代物理学的一些最基本的问题提供答案，例如暗物质的本质、标准模型和引力之间的关系，或者基本常数是否真的是常数。”
尽管这些发现表明单个时钟可能有助于检测拓扑缺陷，但德雷维扬科指出，原子钟网络仍然可以揭示这种暗物质潜在解释的其他方面，例如这些假设缺陷可能的大小。他计算出，由于太阳系以每秒约 300 公里的速度围绕银河系中心旋转，因此穿过一个地球大小的拓扑缺陷大约 30 秒会影响地球上洲际的原子钟网络。
已经存在几个原子钟网络，包括全球定位系统 (GPS) 卫星上的铷和铯网络。“我们正在挖掘十年的 GPS 时钟档案数据来搜索暗物质的迹象，”德雷维扬科说。“本质上，我们正在使用 GPS 作为最大的人造暗物质探测器。”
尽管如此，这些卫星时钟仍落后于最先进的实验室光学原子钟。维西沃指出，他的团队的发现表明，最好的原子钟可以联合起来形成一个巨大的暗物质天文台，而无需像以前认为的那样，使用数千公里长的光纤链路来连接它们。“我们的方法使得建立此类探测器的全球网络的想法成为可能，而无需在实验设备方面进行任何进一步的开发，”他补充道。