“時間”對話 |
送交者: 芨芨草 2017年11月28日18:55:22 於 [教育學術] 發送悄悄話 |
“時間”對話
我有個做原子鐘的學物理的李朋友。 我的思維是發散思維,上一會兒晃到這邊,下一會兒悠到那邊,時常冒出一些和我的工作、專業、生活不着邊的想法。 某一天的某一刻,忽然對時間是怎麼定義的有了興趣,於是就有了和李朋友通過信件的對話。 後來再看看這段對話,覺得挺有意思,還覺得我好像是在較真,是在抬槓,哈哈。 或許可以給也有興趣的同學們增加一點兒科普知識,就記錄在下面了。
草: 上網查了一下,“1963年13屆國際計量大會決定:銫原子Cs133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震盪9192631770周所持續的時間為1秒。”也就是說,時間是人為定義的,對吧? 李: 時間最早是地球繞太陽一圈是24小時,是天文鐘。 後來出現各種鍾…… 後來精度越來越高,1963年定義為銫原子Cs133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震盪9192631770周所持續的時間為1秒。 這是和地球時間比較的精確結果。這樣每幾年還會有閏秒。能級間躍遷輻射震盪多少周,用理科人說就是測量躍遷輻射震盪頻率。 測量9.19GHz的頻率,有頻譜儀就可以了。 草: 問幾個外行的問題。 李: 1.是啊!先有一秒鐘!但是以前定義的1秒鐘不準確,比如說過去中國用農曆,測月亮繞地球的周期。 每幾年差一個月就有了閏月,後來用公曆,測地球繞太陽的周期,所以有了閏日,二月份有28日和29日。 現在用Cs133,每隔數年才有閏秒。頻率的定義是每秒震動的周期。原子周期比月亮,地球的周期穩定多了。 所以用了Cs133兩個超精細能級間躍遷輻射震盪是9192631770次/秒作定義。這個秒和過去定義的秒要基本吻合。 否則1天就是12小時,8小時,不符合長期人們的習慣。 2.實際上9192631770次/秒是兩個電子自旋反轉的頻率,不是光頻率,要讓電子從低能級到高能級,再從高能級到低能級躍遷要做好多精密控制。觀測光波時用光過濾器,只測某一成分的概率。我想化學實驗也是一樣的。 草: 實際上是拿測定的最穩定的時間和實際時間就和,所以有這麼一個9192631770次震盪周期,而不是個整數。對嗎? 李: 是啊!1秒的長度定義在先,在這個前提下133Cs的頻率是9192631770。 只是它的震盪周期的精度比別的振盪周期更穩定。現在有更穩定的了…… 草: 我覺得,你們這些做時間標準的科學家們在鑽牛角尖,而且走在一條錯誤的道路上。一葉障目,不見泰山。 李: 不是這樣的,我們對一年的長度有多少不在意(天文學家很在意),而在意一秒鐘的精度。這個精度的意義在宏觀世界不太明顯,在微觀世界就很重要了,火箭發射後的每一秒鐘火箭在什麼地方,宇宙探測器向哪裡飛行,不是以一年為單位,而是以一秒為單位。 一秒乘以光速是距離。高速時一秒鐘很重要。 李: 現在由於時間的精度在提高,已經是幾年閏一秒的精度了,所以有些國家說閏秒太麻煩又花錢。 廢止閏秒,幾百年再閏一分算了。有的國家堅持閏秒。政治問題,哈哈! 草: 你說的幾年閏1秒應該是時間誤差。我說的是地球人定義的一年的時間和地球公轉一圈的時間的誤差,這個誤差是地球時間的5.8小時。也就是地球從軌道A點出發繞太陽運行,經過地球人的365天后還沒回到A點。所以應該把現在的地球人的1秒鐘再延長一點,使地球經過365天后恰好回到A點,然後再去確定這新的1秒鐘的精確度。不過你們管不了這些事情。這得到聯合國上去決定修改現行的時間長度。 李: 天文時間和國際原子時不一樣。實際上地球旋轉速度也是變得,現在慢慢變慢,以後不知道。 標準不由聯合國管,由國際度量衡組織管。 草: 關於時間,還想問問你。 李: 哈哈,比我還認真。准和不准不是說你一秒鐘走多少,而是說一秒鐘走的誤差是多少。 比如說銫鐘,它一秒鐘誤差是1Hz,他的誤差精度是Δf/f = 1/9,192,631,770。 我如果發現另一個原子的一個躍遷,他的躍遷頻率是光頻,例如411THz,他一秒鐘誤差也是1Hz的話,他的誤差精度是Δf/f = 1/411THz,他就比銫鐘的精度高5個數量級。 是這個道理吧 草: 還是有問題。按你的說法,現在用銫鐘做標準,是因為到現在為止,銫鐘的誤差最小。既然規定9,192,631,770個周期為標準,為什麼不是9,192,631,771個周期或者9,192,631,769個周期呢?因為9,192,631,770個周期最接近一秒鐘。是這樣吧?所以又回到老問題來了,一秒鐘的標準時間是怎麼定義的呢? 李: 是啊,到上世紀為止人類只能精確測定微波頻率,現在我們發明了一種叫光梳的激光工具。 它能把光頻和微波頻率同時測准(2000年諾貝爾獎),所以我們就可以精確測量光頻率了。 同樣誤差的前提下(例如1Hz),我們就要從測量微波的9,192,631,770Hz,改為測量光頻率, 例如411THz了。 草: 你還是沒回答我的問題,就是什麼是標準時間? 李: 有時間我再細細說,你這樣想過去我們定義了一天是24小時,一小時是60分,一分是60秒。秒就是最小單位,比一秒精確的單位就不知道了,後來發明了單擺,又發現了齒輪鍾,精度就高了10倍。有了石英鐘精度又高了(周期增加了,就好像單位長度的刻度增加了)。後來知道了銫原子一秒鐘(一秒是不變的,一秒的細分在改變,也就是說精度在改變)有9,192,631,771個周期。我們就能把一秒分成9,192,631,771個刻度,那麼我們就能把一秒分成9,192,631,771份,那麼測定1份精度就提高了。如果我們能把一秒分成更高刻度的話,我們測定一份的精度也提高了。能明白嗎? |
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