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物理诺奖导言:人类在长度和时间的测定标准上精益求精努力向前 精选

已有 8246 次阅读 2012-10-10 07:45 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 标准, 时间, 长度, 原子钟

人类在长度和时间的测定标准上精益求精努力向前
————兼导读 2012 诺贝尔物理学奖授予单量子态测量

人类对于自然的最朴素的认识在于空间,时间和质量,描述空间的最基本要素就是长度测量,因此长度标准,时间标准和质量标准是人类认识自然世界的三个最基本的物理量。这里只简要介绍长度和时间的测量标准演变。

有关长度的标准,古代各国多种多样,比如有的使用国王的脚的长度(英尺的来源),或者由皇帝亲自颁布,一朝天子一朝臣,改朝换代以后长度标准也会改变,这当然产生很多混乱,所以我们现在都知道秦始皇的一个伟大贡献是统一了全中国的度量衡制度。到了近代,资本主义的发展带来了世界性的贸易商业文化等交流,为了人类这方面的方便,在法国制定了一个国际长度标准,叫做国际米原器,标准定为1.00米,所以国家的长度测量都要以这个国际标准为准。这个国际米原器是由合金制造,随温度等环境因素变化较大,因此还不够标准,人类与生俱来的精益求精的原动力,推动这个方面的不断发展。

之后的长度标准使用原子光谱。原子通常具有很特征的发光谱线,就像人的指纹特征一样,我们几乎找不到两个人的指纹一样,所以指纹就有很多用途。原子的这种特征谱线就被用来作为长度标准。原子种类很多,每种原子的众多谱线有弱有强,最后国际上选定使用氪-86同位素谱线,定义1米的长度等于氪-86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍。这一标准兼容了以前的米标准,并把长度测量的精确度大大提高了很多倍。

再后来,激光的出现使人类得到了比原子谱线更细谱线,于是长度标准改用激光波长,比如定义氦氖激光的波长为632.8 nm。为此,人类在长度测量的标准上又前进了一步。
可见光的频率在10的14次方,激光的谱线虽然比较细,但是还是有一定的宽度,通常难于达到千赫兹(KHz)以下,实际上这个千赫兹相对于可见光的频率10的14次方是微不足道的,但是人类总是在追求精益求精。

最近的发展是,正在通过更进一步的激光技术,把这个激光的谱线宽度降低到1赫兹(1Hz)以下,达到零点几赫兹甚至毫赫兹,或许更低,期待着将来能到达微赫兹(10的负6次方赫兹)甚至纳赫兹(10的负9次方赫兹)。这就是眼下人类正在努力的科学前沿,将来的诺贝尔奖一定会授予此方面做出原创和卓越贡献的科学家们。

对于时间的标准,人类最早来自于对自然天(地球自转一圈)的认识,世界各地的古代人就发展了很多原始技术把一天分成很多等分来计时。有的使用燃香,或使用漏壶滴水,或使用沙漏等等。这也是汉字钟的来源。同期人类从对很多天文和自然的认识,衍生出了年,月,春夏秋冬等时期概念(星期不是),再分解为天。

后来,人类对秋千式的摆动的周期性的认识,导致出现了单摆钟。但是这种单摆钟受到地球引力的严重影响,还不够准确和精确。比如,同一个钟放在船上,从葡萄牙航海到南非的好望角,就会产生很大的误差。

再后来,又出现了机械钟摆技术,利用机械发条的弹性驱动的圆形机械摆,这大大改进了钟的设计,产生了表。相信绝大多数读者都使用过机械闹钟,怀表和手表更是相继出现。

由于近代科学技术的发展,人类精确测定了石英晶体内部电磁振荡的周期,发现这个周期极为稳定,它不受气候、地点、季节以及其它环境条件的影响,这就给更精确的测时、计时提供了可靠的依据。于是现在就有了十分普遍的石英钟。过去的单摆钟成了时尚的摆设,机械表渐渐退出人间。

第二次世界大战以后,更准确的计时标准是原子钟出现,这一新定义标志着时间测量的一个新时代的到来。上面长度标准里面讨论过,原子的谱线很细,这在于原子内部两个能级的间隔几乎固定不变,同时就等于说这个谱线的频率不变,于是出现了频率标准(频标)。这时候,时间标准和长度标准在这里交叉了,或者说联系在一起了,频率成为二者联系的纽带。米被定义为光在以铂原子钟测量的0.000000003335640952秒内走过的距离。

现在的一种原子钟定义铯Cs133原子基态的两个超精细能级间跃迁振荡9192631770个周期所持续的时间为一个原子时秒。目前,多种原子钟已经被开发出来,更多更准确更精确的原子钟还在进一步开发当中。这就是一个世界基础科学和高技术的前沿领域。
由于其高度的准确和精确,2012年1月,国际通讯联盟会议上决定用原子钟时间取代使用了近130年的格林尼治标准时间。人类的计时工作又向前迈进了一步。

科学技术发展到当代,长度标准和原子钟问题牵涉到很多高精密测量问题,比如怎样把激光和原子钟所用的频率测量准确,有了更准确地频率,长度和时间就可以被更精密的定义,由此人类需要高精密测量技术。2005年的诺贝尔物理学奖授予了三个人,其中的二人是美国的John L. Hall 和 德国的Theodor W. Hänsch,以表彰他们对开发激光领域的精密测量技术上的贡献。

上面的这些科学和技术,虽然用到了一定的量子理论,比如激光技术本身和相关的高精密测量,但是,这些原子的频率和谱线的精确位置还是落在经典物理学领域,属于半经典半量子的范畴。更进一步的发展,就是使用单个量子态的频率来同时定义长度和时间的测量标准。

可喜的今天,2012年的10月9日,诺贝尔奖授予了授予法国科学家赛格尔·哈罗什和美国科学家戴维·维兰德,以表彰他们在量子力学领域的重大成就,称他们“提出了突破性的实验方法,使测量和操控单个量子体系成为可能。下一步的发展,这个单量子态时钟,会取代原子钟,成为更进一步的长度和时间标准,也就是新的频率标准。

这里就简单地理出一条线,把长度标准和时间标准统一为频率标准,为2005和2012年的诺贝尔物理学奖作了一个很浅显的导言。适合非专业人士科普一番。

一点感慨是,爱因斯坦的理论告诉我们,时间就是空间,空间就是时间,这在宇宙观测过程中得到了很好的体现,那就是光年,这个是距离更代表了时间,比如我们看到100亿光年远的星星发出的光,表示这颗星是这么远,更表示这颗星发出这个光的时刻是100亿年以前。

在这里,长度标准和时间标准通过频率的高精密测量走到了一起,同样的表达就是,时间就是空间,空间就是时间。宇宙的大宏观是如此,在我们的眼观和微观更是如此。

这很有意思,物理学总带给人类思维的发展:当年伽利略的两个铁球同时落地改变了亚里士多德以来的观点,牛顿告诉我们运动才是绝对,静止只是偶然和有条件;爱因斯坦告诉我们时间就是空间,空间就是时间;杨振宁用规范场理论告诉我们,不管怎么胡扯,一套完美理论体系的前前后后必须和谐圆满。

顺便提一点,我国在这些频率标准领域一直在努力发展,奋勇向前。近年来,国家在重大研究项目方面都给与了很强大的支持。相信再过20年甚至10年,中国的科学家在长度标准时间标准以及紧密相关的频率标准的高精密测量方面一定会做出人类看得见的重大贡献。



2012年诺贝尔奖
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