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谈“沙漏”到“量子时空”的计时精度

文=叶四山

远古,观日月星辰,计时精度低。

 

人类最早使用的计时仪器是利用太阳的射影长短和方向来判断时间的。前者称为圭表,用来测量日中时间、定四季和辨方位;后者称为日晷,用来测量时间。二者统称为太阳钟。

 

公元前1300~前1027年,中国殷商时期的甲骨文,已有使用圭表的记载。《诗经·国风·定之方中》篇有,“定之方中,作于楚宫。揆之以曰,作于楚室……”。确切记载使用圭表的时间为公元前659年。

 

圭表等太阳钟在阴天或夜间就失去效用。为此人们又发明了漏壶和沙漏、油灯钟和蜡烛钟等计时仪器。

 

利用沙漏,人工计时,精度有所提高,它由两个白色的座子和三根透明的柱子搭成,中间是两个水滴形状的透明玻璃罩组成的”葫芦”。它的玻璃罩里有许多紫色的沙粒,这些沙粒能通过小孔,从一个玻璃罩流向另一个玻璃罩。

 

沙漏也叫“沙钟”,是古代一种计时装置。

 

沙漏与我国古代另一種计时工具漏刻的工作原理大体相同。漏刻是根据从一个壶流到另一个壶的水量来计时,而沙漏则是根据从一个容器漏到另一个容器的沙量来计时。

 

后来,逐渐形成较高精确度的计时体系,如一种新的锶原子钟,其精度高达每150亿年才误差1秒。

 

1960年至1967年间,世界度量衡标准会议改以地球公转为基础,定义1900年为平均太阳年,秒的定义更改为“太阳年之31556925.9747分之一”。

 

在1967年召开的第13届国际计量学大会上,秒的定义进入原子时代:1秒钟被定义为铯原子电子9192631770次的固有微小振荡频率,这个标准一直沿用至今。

 

计时方式的不同,标志着生产能力与精神文明的巨大差别,从茹毛饮血到宇宙探索,与计时进步有密切联系。

 

因刻漏冬天水易结冰,故有改用流沙驱动的。《明史·天文志》载明初詹希元创造了“五轮沙漏”。后来周述学加大了流沙孔,以防堵塞,改用六个轮子。宋濂(1310~1381)著《宋学士文集》记载了沙漏结构,有零件尺寸和减速齿轮各轮齿数,并说第五轮的轴梢没有齿,而装有指示时间的测量盘。

 

西方发现最早的沙漏大约在公元1100年,比我国的沙漏出现要晚。现存的最早的记录是英语船舶“香格里拉乔治”上的文员托马斯Stetesham在1345年的销售收据。

 

最著名的沙漏是1360年詹希元创制的“五轮沙漏”。流沙从漏斗形的沙池流到初轮边上的沙斗里,驱动初轮,从而带动各级机械齿轮旋转。最后一级齿轮带动在水平面上旋转的中轮,中轮的轴心上有一根指针,指针则在一个有刻线的仪器圆盘上转动,以此显示时刻,这种显示方法几乎与现代时钟的表面结构完全相同。

 

此外,每到整点或一刻,两个木人便会自行出来,击鼓报告时刻。这种沙漏脱离了辅助的天文仪器,已经独立成为一种机械性的时钟结构。而且比漏刻更精确。

 

麦哲伦世界各地的航行期间,他的每艘船保持18沙漏。在船舶的文书工作中,运行沙漏从而为船舶的日志提供时间。

 

欧洲人普遍使用的沙漏、水钟(即水日晷)和重锤驱动的自鸣钟同时传入中国。

 

沙漏传入中国后,曾在航海上用作计时器。乾隆二十三年(1758年),周煌撰《琉球国志略》,言及从福州开船到琉球,船行“一更为六十里”,并用沙漏计时,“每二漏半有零为一更”。

 

当代,所用量子精确计时,可用于对宇宙常数进行重新测量,这将有助于科学家们检验自然界中的精细结构常数从宇宙形成初期到现在130多亿年的时间是否在变,对它的测量是检验已有物理理论是否一致的一种方法。

 

宇宙大爆炸理论认为,宇宙开始是一个无限小的奇点,突然爆炸后产生今天的世界,变化那么大,当时的常数有可能与现在的常数不一样。但高能物理又想将爱因斯坦的相对论引力场与量子力学结合起来,产生标准模型,大家去作不同的修正,在修正过程中会用不同的理论和常数。其中一个就是用基本常数来测量,如果真正测量出这些微小变化的量,那么会影响到我们对整个宇宙的理论。

 

即使只将时间的准确度增加几分之一秒,这将在测定长距离方面大有用途,比如测量太空中遥远星系的距离。如今,此科学家小组还想进一步提高此原子钟的精确度。

 

通过聚集的激光束让电子在其精确的轨道之间来回摆动,就能形成原子钟的钟摆。

 

1960年以前,世界度量衡标准会议以地球自转为基础,定义平均太阳曰之1/86400为秒的定义,即1秒是1/60分钟,1分钟是1/60小时,而1小时则是1/24天,因此,1秒等于1天的1/86400。但是,因为地球的运转速度及与太阳的距离在改变,所以,一个正午至第二个正午的时间,并非都一样长。

 

根据量子原理,同一原子的电子在不同能量态之间跃迁时所释放的电磁波是恒定的,所以可以用这种频率作为时间间隔的精确依据。

 

时间测量的精度也在不断提高。1350年,第一座机械闹钟出现在德国。1583年,伽利略发现单摆的摆动周期与振幅无关,这是时钟历史上的一大进步。1656年,荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制作了第一座自摆钟,从此,时钟误差可以秒来计算。到1762年,最好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精度,但在现代航空、航海和物理学研究领域还需要更精确的计时。

 

1945年,美国纽约哥伦比亚大学物理学家拉比提出用原子束磁共振技术来做原子钟的概念。1948年,NIST用氨分子作为磁振源,制成了世界上第一台原子钟。1952年,NIST制成第一台铯原子钟,将之命名为NBS-1(是以当时的美国国家标准局(NationalBureau of Standards)命名,简称NBS),这一命名规则一直延续到1975年的NBS-6。现在存放于NIST的铯原子钟为NIST-F1,精度为3000万年差一秒。

 

锶原子能级跃迁的速度比铯原子快1000倍,从理论上讲,锶原子钟比铯原子钟更准确,但是,锶原子钟制作落后于铯原子钟,因为测量频率如此之快原子能级跃迁非常困难。

 

纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠,即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的一很特别的灵犀.感应

 

史前,混沌,盘古开天劈地,才有时差观念。

 

牛顿提出时空绝对观念,面对运动与时间的许多问题虽然无能无力的,但这时的机械钟精确度比较高,一天误差以秒计。

 

当今,高科技领域,量子计时,千万年相差1秒是容易实现的。信息化周刊

 

摘自:《商情》2018年40期

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