“時間”對話（續1）

“時間”對話一年之後，因為有了新信息，又開始了新一輪對話。

草：

看下面的文章。你們是否可以休息了？

世界最精確時鐘：160億年誤差1秒
日本東京大學在10日發表道，其研究小組與日本理化學研究所合作，開發出精確度極高的光晶格鍾，160億年才產生1秒誤差。這是在實驗中確認的迄今世界最高精確度。

也許你並不在意1秒的時間，也不認為減少誤差會對平時生活產生多麼巨大的影響。而實際，對普通人而言，一秒鐘的差異可以影響到證券交易、匯率變動等；而對於航天、電子通信、全球定位系統等領域而言，即使幾十億分之一秒的誤差也可能導致重大問題。

光晶格鍾是一種原子鐘，世界各國都在大力進行研究。所謂原子鐘就是以原子中電子的振動為振子的時鐘，如果振動的頻率在光波段，時鐘就稱為光鍾，光晶格鍾是光鐘的一種。

現在，秒的定義是根據銫原子的電磁波周期數來決定，每3000萬年有1秒誤差。東京大學研究生院工學系教授香取秀俊率領的研究小組，選擇了比銫原子能更精密測量時間的鍶原子進行實驗。

此前，由於封閉原子的外壁釋放電磁波會影響原子固有振動數，使振動數無法保持一致，這成為提高光晶格鍾精確度的最大難點。

研究小組注意到，在低溫環境下，原子不易受電磁波影響，為此開發出能在零下170攝氏度環境工作的光晶格鍾，最終實現了160億年才有1秒誤差。目前，國際計量委員會正討論給1秒制定新定義，此次研究成果有可能對討論結果產生影響。

目前研究小組正研究如何實現光晶格鐘的小型化，從而便於搬運和使用。相關論文已刊登在新一期《自然·光子學》上。

李：

謝謝你的郵件。我們一直在共同研究，去年秋天他得到了“紫綬褒章受章”。

20日我們去開慶祝會，日本在推他拿諾貝爾獎。我們所主要是實現和運營，課題越火得錢越多。

草：

8月下旬去北海道，那邊已經涼快了，夏天不熱就不夠勁了。
問你個問題，東京大學新做出來的原子鐘是什麼東西？有文章發表嗎？有的話介紹給我看看。
另外，你知道現在實驗中所用的誤差最小的測定時間的裝置是什麼嗎？最小誤差是多少？

李：

東京大學原子鐘（光鍾）是由香取秀俊教授組做的。

http://www.amo.t.u-tokyo.ac.jp/index.html上面有他們的論文。

不是測定時間是測定頻率，過去測微波用頻譜儀（~ GHz），現在測光頻用光梳（Optical comb）。

因為用的是光頻( ~ THz)，所以誤差在10^(-18)精度時只需1mHz的精度,這是容易測定的。

草：

這種原子鐘可以用在實際試驗中測定時間，代替時鐘嗎？

李：

實際上這不是我們用的時鐘，是高標準鍾。

就好像一公斤的重量元器是放在巴黎BIPM恆溫真空室內的。我們用的是校正過了的天平稱砣。

一個鍾系統要數億日元，以及專業人員操作。

有了這個鐘，我們的標準時間可以和它校對。得出誤差再進行修正。有時間的話你可以來我所參觀一下啊！

草：

你看看下面這篇文章。前半是我在網上看到的一篇文章，中間是我寫的，最後是跟貼和我的答覆。
我不是學物理的，得在你這補補課。你判斷一下，我寫的內容和跟貼及我的答覆有什麼問題。把問題的答案告訴我。如果能寫得詳細，我就直接貼上去。
另外，你看看最後推薦的那篇文章。我在家裡，看不到完整的文章，沒搞清作者想說什麼，似乎是Sr鍾，和東大的研究相同？
家裡的hotmail不好用。
我明天休息。

評“50年物理難題蓋棺定論 愛因斯坦錯了”

2015年8月31日的奧創智能網有文，
“雖然愛因斯坦是量子理論的始作俑者，可他本人一生都不願接受量子力學的怪誕結論。他說過一句很有名的話“上帝是不投骰子的”，旨在否定量子力學對物理世界概率性的描述。儘管愛因斯坦已經去世60年，但他給後人留下的爭論一直是科學界的熱門話題。然而，幾天前由荷蘭物理學家發布的實驗結果終於表明，愛因斯坦錯了。
從量子力學誕生開始，爭論就沒有停止過。儘管以丹麥物理學家波爾為代表的“哥本哈根學派”認為量子力學是完備且自圓其說的，愛因斯坦等物理學家卻始終堅持量子力學不是最終理論。愛因斯坦認為，物理世界的主宰是傳統的機械決定論，而非概率。兩派長期針鋒相對，唇槍舌戰，他們爭論的焦點落在了“量子糾纏”(quantum entanglement)上，而量子糾纏直接挑戰了經典物理學的定域性描述。比如，兩個朝相反方向運動的光子，只要不受干擾，無論相距多遠都可以在瞬間傳遞信息。打個比方，即使牛郎和織女分居在銀河兩頭，彼此心映即刻完成，無需時間。
愛因斯坦難以接受這樣的結論，因為按照他提出的相對論，信號傳遞的最快速度是光速，兩個相距甚遠的物體是不可能在瞬間交換信息的。也就是說，如果銀河系有10萬光年大，那麼牛郎的呼喚需要10萬年後才能被織女知道，絕不是發生於頃刻之間事情。愛因斯坦為此還提出了著名的“隱變量理論”，將量子力學不能給出確定結果的概率問題，歸咎於人們對某種尚未發現的“隱變量”的無知。他認為，那兩個彼此背離而行的光子，一定是具有某種內在的機制，決定了它們之後的行為，只不過人們不知道罷了。也就是說，牛郎和織女在每年分手的時候都要約定好，在日後的某個時刻彼此互相思念，只是這樣的約定還沒有被王母娘娘發現而已。
簡而言之，如果愛因斯坦是對的，那麼人們依然可以按照傳統的科學理念去理解世界。如果哥本哈根學派是對的，那麼人們就不得不推翻許多根深蒂固的觀念，重新去審視我們的世界。人們也不得不承認，真實的世界和我們通過感官所接觸、所看到的世界在本質上是完全不同的。在當時，許多人都認為這樣的爭論不會有結果，因為這已然超越了科學範疇，上升為一個哲學問題。
可轉機出現在上世紀60年代中葉，當時愛因斯坦已經去世10年。歐洲核子研究組織(CERN)的約翰·貝爾(John Bell)在赴美國訪問期間，發表了著名的論文，將這一看似抽象的哲學問題簡化為一個清晰的數學不等式，它被人們稱為“貝爾不等式”。貝爾不等式其實是說，如果愛因斯坦提出的隱變量存在的話，那麼在特定的實驗條件下，實驗結果(大量獨立重複實驗的統計概率)就會被限制在一個範圍之內。一旦實驗測量超出該範圍，即貝爾不等式不成立的話，那麼愛因斯坦就是錯的，隱變量理論也就不正確。由於貝爾不等式可以直接付諸實驗觀測，愛因斯坦與哥本哈根學派之間的爭論不再具有形而上的神秘色彩。取而代之的是，人們開始熱衷於貝爾不等式的實驗觀測。
然而實驗測量並不簡單。在過去的50年裡，人們提出了不計其數的實驗方案，但每一個方案都有漏洞。所以，儘管許多實驗得到了違反貝爾不等式的結果，但由於漏洞的存在也無法在邏輯上直接證明貝爾不等式不成立。令人振奮的是，最近由荷蘭代爾夫特科技大學的Ronald Hanson領導的科研團隊，終於實現了沒有漏洞的實驗觀測，50年來第一次無懈可擊地直接證明了貝爾不等式不成立。
Hanson團隊的實驗設計十分巧妙。他們在相距1.28千米的兩個實驗室里，分別用微波去激發處於極低溫的鑽石里的電子。當電子被激發出來時，它們同時也放出與自身相糾纏的光子。兩邊的光子通過光纖傳送到位於兩實驗室之間的另一個探測地點，這裡精確記錄着光子到達的時間。如果兩邊發射過來的光子同時到達並以特定方式干涉，那麼兩個光子就會立即將自己所“代表”的電子糾纏起來，實現遠程的量子糾纏。這好比遠隔10萬光年的牛郎和織女各派一個天使在鵲橋相會，如果兩個天使同時到達並正確表達了主人的意思，那麼牛郎和織女就實現了遠程的“約會”。
由於兩邊的實驗室在同時測量電子的自旋，一旦兩個電子實現了遠程的量子糾纏，儀器就會記錄它們自旋在不同方向出現的頻率。大量觀測數據的統計結果顯示，貝爾不等式的確不成立。該實驗唯一不盡人意之處，在於兩邊的光子精確同時到達的成功率很低，大約1.5億個光子對中才能有一對光子成功干涉並實現電子的遠程糾纏。因此，該實驗一共進行了22個多小時，卻只得到245次有效數據。不過，該團隊目前正在努力改進，以期提高效率。
他們的實驗結果剛剛出爐，尚未來得及發表於正式期刊上，但已經得到物理學界的普遍關注。“這是量子物理學一項里程碑式的文章”，澳大利亞格里菲斯大學的Howard Wiseman評價道，儘管他本人沒有參與這項實驗。工作於悉尼大學的物理學家Christopher Ferrie認為該實驗將有深遠影響，他說“物理世界和人們日常直覺上看到的世界有着深刻的不同，人們將對此不再有任何的懷疑”。維也納大學的Anton Zeilinger領導着一個與荷蘭Hanson相競爭的科研團隊，當他看到Hanson這項舉世矚目的成果時不禁說道“這是一個非常漂亮的實驗，除了要祝賀他們的團隊以外沒有別的了。”他還說，如果愛因斯坦活着的話，他一定會對此印象深刻。”

黑體字是我加上去的。
首先假定奧創智能網不是在忽悠，假定Ronald Hanson領導的科研團隊也不是故意科技造假。
先看兩條網友評論：
１、“然而實驗測量並不簡單。在過去的50年裡，人們提出了不計其數的實驗方案，但每一個方案都有漏洞。所以，儘管許多實驗得到了違反貝爾不等式的結果，但由於漏洞的存在也無法在邏輯上直接證明貝爾不等式不成立。”這些實驗大部分在發表的時候也和這次的實驗一樣以為自己這次沒有漏洞了。可是過不了多久就給別人發現了漏洞。估計不出三個月就會有人挑戰這個實驗。看來物理學家很可能錯過了一些非常基本的東西，得到了一些離奇的結論，想用實驗來證明這些結論，無論如何努力總是只差一點點。”
２、“怎麼這些物理學家都變成上帝了，能“無論相距多遠都可以在瞬間傳遞信息，無需時間”？經過幾百年之後，這條“無需時間”又被證明是錯了。有趣!”

信息是否能夠不計距離瞬間傳遞，到現在為止沒有試驗結果支持，所以不能說行，也不能說不行－－因為有那麼多的物理學家說“行”。
看看文章里的這個試驗結果能否被認可。
我以為僅就文章所述這個實驗有兩個漏洞。
其一：
愛因斯坦說上帝不擲骰子，是要表明不能依賴一、兩次物理實驗成功結果就確認這個實驗是可行的，結果是存在的，也就是說物理不承認小几率的發生能成為規律。
（這和生命領域不一樣，在物種演變中，一個小几率的進化就有可能演生出一個新物種。）
如果根據一、兩次成功的結果就能斷定這個結果是存在的，2014年日本的小保方晴子在她自己所做的驗證STAP細胞的實驗中也發現了幾個疑似STAP細胞的東西，STAP細胞也應該被承認存在，不過連日本科技界都不認可這個結果。
根據文章所述，Ronald Hanson團隊的成功率是1.5億分之一。如果在普通物理實驗中，這麼小的成功幾率會被視為這個實驗沒有結果。做了1.5億次實驗，只有一次出現了期待的結果，能說明什麼問題？
其二：
愛因斯坦的相對論提出信號傳遞的最快速度是光速。
在Hanson團隊的實驗中，兩個實驗室相距1.28千米，探測光子的地點位於兩個實驗室之間。光的速度是30萬千米。如果信息確能瞬間傳遞，兩個實驗室的兩個電子應該在相同時間實現遠程的量子糾纏，那麼所用的是兩個什麼樣的計時器，其誤差在30萬分之一秒內？
這個罈子裡有幾位物理大俠。大俠們如果感興趣，請現身指教。

文章評論
作者：luckyhsif 留言時間：2015-09-02 12:52:32
博主可能對科學尤其是物理不太了解，所以才會有這些比較不着邊際的評論。

首先關於時鐘的精度。現在最精確的時鐘誤差已經達到4.5x10**－15 （15億年誤差一秒）。最快的照相機每秒可以拍4萬4千億張照片。這些都遠遠地超越三十萬分之一秒的精度。

其次關於實驗中“成功率是1.5億分之一”。兩個實驗室各自激發出的電子，同時到達測試點，並“撞”在一起發生干涉效應，算一次“有效的”或“成功的”實驗。這如同在桌面上滾動兩個鋼球使它們碰撞來檢測力學原理一樣，撞上了才有效。顯然，百分之一百的成功率或1.5億分之一的成功率對於要證明的物理理論是沒有關係的。“有效的”的實驗本身才有關係。

作者：芨芨草 留言時間：2015-09-02 16:18:27
luckyhsif好！終於等來了一位物理大牛，歡迎歡迎！

就這兩個漏洞和luckyhsif商榷：

１，luckyhsif說的是時間測定的精度，也就是標準時間吧？現在的國際標準時間是以銫133原子基態的兩個超精細能級間躍遷對應的輻射的9,192,631,770個周期的持續時間為１秒，也就是銫原子鐘。聽說日本的東京大學研究出了比銫原子鐘精度還要高的東西。不過銫原子鐘的誤差（１個周期）也只有１０＾－１０秒。

luckyhsif說的誤差為１０＾－１５秒的時鐘是什麼時鐘？

另外，標準鍾應該只有一個吧？如果有兩個以上，怎麼能讓這些標準鍾同步呢？

luckyhsif說的誤差為１０＾－１５秒的時鐘是標準鍾吧？做試驗時不會用標準鍾做計時工具吧？而且如上所問，如果用兩個標準鍾，怎麼讓它們同步呢？

可以每秒拍4萬4千億張照片的照相機是什麼樣的照相機？不過時間測定和照相機應該沒關係吧？因為這是在兩地測量是否兩個反應同時發生。如果用照相機測量，怎麼判斷讓兩個照相機在同一時間開始拍照？如果有這樣的時鐘，直接用時鐘測定應該更簡單吧？

另外，用照相機照不到電子的自旋吧？

２，luckyhsif舉的兩個鋼球相撞的例子用在這篇文章里不太合適。Hanson團隊的實驗不是讓兩個電子相撞，是在兩地各從一個電子裡激發出一個光子，兩個光子被引導到第三地，發生干涉，並將信息瞬間傳回本主電子，改變電子的自旋狀態。根據文章所述，試驗中每秒用激光做約４６萬次激發。因為兩邊的兩個光子同時精確到達的成功率很低，怎麼確認自旋狀態改變的電子是受從它自身放出的光子的影響，而不是受其它光子的干擾呢？

luckyhsif的兩個鋼球相撞的例子適用於在高能加速器里讓兩束被加速的相向運動的粒子相撞的實驗。不是每個粒子都能被相撞，但只要有兩個粒子相撞，就能測量出相撞後的產物。

我不是這個領域的專家，但也不是來“打醬油”，是真心想了解這方面的知識，因為正如文章所述，如果“信息瞬間傳遞”能夠成立，則我們能感受到的世界和實際世界會有很大不同。希望luckyhsif不吝賜教。

作者：luckyhsif 留言時間：2015-09-02 19:59:08
首先申明我不是搞物理的。只是這個實驗簡單明了，我以為我可以理解。

1，時鐘問題。顯然1.28千米的距離產生的時間差，已經達到實驗團隊測量時間的精度，不然可以把距離搞得更長。這裡估計也不需要世界最高水平的時鐘。因為測量點和兩個發射點是等距的，兩個發射點的時鐘獨立地和測量點時鐘同步就可以了，考慮到它們的誤差可以互相抵消，時鐘本身的精度就可以更放寬了。

2，估計博主已經理解了“成功率是1.5億分之一”只不過是說發射1.5億對光子才能有一對能夠同時到達並發生干涉效應。試驗中每秒用激光做約４６萬次激發，平均差不多一個小時才會產生一次有效的實驗。這個設置顯然保證每一次激發都能夠被單獨地測量和核實，不然可以把頻率放慢一些。其實相對於時鐘的精度，這個速度已經夠慢了。

3，電子如果被其它粒子作用而改變狀態，是可以被檢測到的，這是原子物理實驗最起碼的要求吧。

這些都是我的粗略理解，專業的人士會給出更好的解答。

作者：luckyhsif 留言時間：2015-09-02 20:10:58
我用滾鋼球的實驗來說明所謂的“實驗成功率”。博主可以試一下，左手和右手向外張開，各自往桌面上滾一個鋼球，然後告訴讀者平均滾多少次才有一次碰撞發生？相信不會需要1.5億次！

作者：luckyhsif 留言時間：2015-09-02 21:54:02
我剛剛做了實驗。在球桌上兩個角上同時滾出乒乓球13次,它們相碰的有4次。如果我有足夠的測量設備,我就可以用測量到的碰撞數據來驗證動力學理論。沒有發生碰撞的另外９次和實驗的可信度沒有任何關係。

所以博主評論中說“根據文章所述，Ronald Hanson團隊的成功率是1.5億分之一。如果在普通物理實驗中，這麼小的成功幾率會被視為這個實驗沒有結果。做了1.5億次實驗，只有一次出現了期待的結果，能說明什麼問題？”是不明所以的問題。

原文說紀錄了２４５次有效數據。我覺得這個實驗顯然可以重複做的，就像我可以重複滾乒乓球一樣。

另外，這是新近的精確時鐘報道，http://www.vox.com/2015/4/22/8468781/atomic-clock

（在整理上述文章時我發現luckyhsif同學犯了一個原則性的錯誤：在桌上滾乒乓球是宏觀世界的現象，宏觀世界裡觀察到的現象不能用來解釋微觀世界的事情。其實問題是，極小概率的事件可否被認為是有規律的事件？引力波只被發現了幾次，不過引力波已經被承認存在了。）