“时间”对话 |
送交者: 芨芨草 2017年11月28日18:55:22 于 [教育学术] 发送悄悄话 |
“时间”对话
我有个做原子钟的学物理的李朋友。 我的思维是发散思维,上一会儿晃到这边,下一会儿悠到那边,时常冒出一些和我的工作、专业、生活不着边的想法。 某一天的某一刻,忽然对时间是怎么定义的有了兴趣,于是就有了和李朋友通过信件的对话。 后来再看看这段对话,觉得挺有意思,还觉得我好像是在较真,是在抬杠,哈哈。 或许可以给也有兴趣的同学们增加一点儿科普知识,就记录在下面了。
草: 上网查了一下,“1963年13届国际计量大会决定:铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。”也就是说,时间是人为定义的,对吧? 李: 时间最早是地球绕太阳一圈是24小时,是天文钟。 后来出现各种钟…… 后来精度越来越高,1963年定义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。 这是和地球时间比较的精确结果。这样每几年还会有闰秒。能级间跃迁辐射震荡多少周,用理科人说就是测量跃迁辐射震荡频率。 测量9.19GHz的频率,有频谱仪就可以了。 草: 问几个外行的问题。 李: 1.是啊!先有一秒钟!但是以前定义的1秒钟不准确,比如说过去中国用农历,测月亮绕地球的周期。 每几年差一个月就有了闰月,后来用公历,测地球绕太阳的周期,所以有了闰日,二月份有28日和29日。 现在用Cs133,每隔数年才有闰秒。频率的定义是每秒震动的周期。原子周期比月亮,地球的周期稳定多了。 所以用了Cs133两个超精细能级间跃迁辐射震荡是9192631770次/秒作定义。这个秒和过去定义的秒要基本吻合。 否则1天就是12小时,8小时,不符合长期人们的习惯。 2.实际上9192631770次/秒是两个电子自旋反转的频率,不是光频率,要让电子从低能级到高能级,再从高能级到低能级跃迁要做好多精密控制。观测光波时用光过滤器,只测某一成分的概率。我想化学实验也是一样的。 草: 实际上是拿测定的最稳定的时间和实际时间就和,所以有这么一个9192631770次震荡周期,而不是个整数。对吗? 李: 是啊!1秒的长度定义在先,在这个前提下133Cs的频率是9192631770。 只是它的震荡周期的精度比别的振荡周期更稳定。现在有更稳定的了…… 草: 我觉得,你们这些做时间标准的科学家们在钻牛角尖,而且走在一条错误的道路上。一叶障目,不见泰山。 李: 不是这样的,我们对一年的长度有多少不在意(天文学家很在意),而在意一秒钟的精度。这个精度的意义在宏观世界不太明显,在微观世界就很重要了,火箭发射后的每一秒钟火箭在什么地方,宇宙探测器向哪里飞行,不是以一年为单位,而是以一秒为单位。 一秒乘以光速是距离。高速时一秒钟很重要。 李: 现在由于时间的精度在提高,已经是几年闰一秒的精度了,所以有些国家说闰秒太麻烦又花钱。 废止闰秒,几百年再闰一分算了。有的国家坚持闰秒。政治问题,哈哈! 草: 你说的几年闰1秒应该是时间误差。我说的是地球人定义的一年的时间和地球公转一圈的时间的误差,这个误差是地球时间的5.8小时。也就是地球从轨道A点出发绕太阳运行,经过地球人的365天后还没回到A点。所以应该把现在的地球人的1秒钟再延长一点,使地球经过365天后恰好回到A点,然后再去确定这新的1秒钟的精确度。不过你们管不了这些事情。这得到联合国上去决定修改现行的时间长度。 李: 天文时间和国际原子时不一样。实际上地球旋转速度也是变得,现在慢慢变慢,以后不知道。 标准不由联合国管,由国际度量衡组织管。 草: 关于时间,还想问问你。 李: 哈哈,比我还认真。准和不准不是说你一秒钟走多少,而是说一秒钟走的误差是多少。 比如说铯钟,它一秒钟误差是1Hz,他的误差精度是Δf/f = 1/9,192,631,770。 我如果发现另一个原子的一个躍遷,他的躍遷频率是光频,例如411THz,他一秒钟误差也是1Hz的话,他的误差精度是Δf/f = 1/411THz,他就比铯钟的精度高5个数量级。 是这个道理吧 草: 还是有问题。按你的说法,现在用铯钟做标准,是因为到现在为止,铯钟的误差最小。既然规定9,192,631,770个周期为标准,为什么不是9,192,631,771个周期或者9,192,631,769个周期呢?因为9,192,631,770个周期最接近一秒钟。是这样吧?所以又回到老问题来了,一秒钟的标准时间是怎么定义的呢? 李: 是啊,到上世纪为止人类只能精确测定微波频率,现在我们发明了一种叫光梳的激光工具。 它能把光频和微波频率同时测准(2000年诺贝尔奖),所以我们就可以精确测量光频率了。 同样误差的前提下(例如1Hz),我们就要从测量微波的9,192,631,770Hz,改为测量光频率, 例如411THz了。 草: 你还是没回答我的问题,就是什么是标准时间? 李: 有时间我再细细说,你这样想过去我们定义了一天是24小时,一小时是60分,一分是60秒。秒就是最小单位,比一秒精确的单位就不知道了,后来发明了单摆,又发现了齿轮钟,精度就高了10倍。有了石英钟精度又高了(周期增加了,就好像单位长度的刻度增加了)。后来知道了铯原子一秒钟(一秒是不变的,一秒的细分在改变,也就是说精度在改变)有9,192,631,771个周期。我们就能把一秒分成9,192,631,771个刻度,那么我们就能把一秒分成9,192,631,771份,那么测定1份精度就提高了。如果我们能把一秒分成更高刻度的话,我们测定一份的精度也提高了。能明白吗? |
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