來源_交匯點(diǎn)新聞客戶端
交匯點(diǎn)訊_寒暑易節(jié)_物換星移_宇宙中一切物質(zhì)的起源與消失_世界上一切事物的誕生與滅亡_都與時(shí)間息息相關(guān)。“嘀嗒嘀嗒”_在分針與秒針不斷交錯(cuò)間_時(shí)間一秒一秒流逝。然而_一秒到底有多長(zhǎng)？我們平時(shí)所說的“時(shí)間”是如何測(cè)量的？如何捕捉飛秒數(shù)量級(jí)的瞬間？司空見慣的“時(shí)間”背后隱藏著許多鮮為人知的“秘密”。
一秒到底有多長(zhǎng)
當(dāng)你一字一句閱讀到這里時(shí)_時(shí)間已經(jīng)流逝了20秒。作為最常用的時(shí)間單位之一_“秒”常常以周期性運(yùn)動(dòng)的時(shí)間來定義。然而_幾個(gè)世紀(jì)以來_關(guān)于“1秒究竟有多長(zhǎng)”這個(gè)問題_科學(xué)家們也在不斷探索中。_我國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心科技處科普主管劉永鑫在接受《新華日?qǐng)?bào)·科技周刊》發(fā)文人采訪時(shí)表示_20世紀(jì)中葉_時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定一個(gè)平太陽日的86400分之一為1秒。然而_地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并非等速進(jìn)行_認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題后_秒的定義再次被修改。科學(xué)家們將地球繞太陽的公轉(zhuǎn)周期(即回歸年)作為確定時(shí)間單位的基礎(chǔ)_自歷書時(shí)1900年1月1日12時(shí)起算的回歸年的1/31,556,925.9747為一秒。_由于天體測(cè)量精度的不斷提高_(dá)回歸年的時(shí)長(zhǎng)受其他天體的影響不斷變化_時(shí)間測(cè)量精度不斷提高_(dá)天文方法不再適合作為秒定義來使用_所以在1967年的第13屆國(guó)際度量衡會(huì)議上_人們決定以原子時(shí)定義的秒作為時(shí)間的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位_即銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階間躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9,192,631,770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。劉永鑫表示_“隨著現(xiàn)代計(jì)時(shí)精度的不斷提高_(dá)未來秒定義很有可能根據(jù)現(xiàn)在測(cè)量精度最高的光鐘作為基準(zhǔn)。”_確定了一秒的時(shí)長(zhǎng)_許多人不禁想問_1天_24小時(shí)_1440分鐘_86400秒嗎？答案是否定的_最新研究表明_每一天的時(shí)間長(zhǎng)度都有著極其微小的變化。不久前_我國(guó)科研人員首次發(fā)現(xiàn)了日長(zhǎng)變化中存在約8.6年周期的顯著振幅增強(qiáng)信號(hào)_并首次發(fā)現(xiàn)該振蕩的極值時(shí)刻與地磁場(chǎng)快速變化的發(fā)生存在密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系_其研究成果已在線發(fā)表于《自然·通訊》。_
“利用標(biāo)準(zhǔn)小波時(shí)頻變換方法_我們分析國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)系統(tǒng)（IERS）提供的近60年高精度日長(zhǎng)數(shù)據(jù)得出_日長(zhǎng)變化除了之前認(rèn)為的存在約0.12毫秒的6年周期變化外_還存在振幅約0.08毫秒的8.6年周期變化_并且該信號(hào)在過去的近60年內(nèi)振幅在不斷增強(qiáng)。”論文第一作者、我國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員段鵬碩告訴《新華日?qǐng)?bào)·科技周刊》發(fā)文人_一天并非是精確的24小時(shí)_從一個(gè)較大的時(shí)間尺度上分析_日長(zhǎng)正在逐漸變長(zhǎng)。
為什么要精準(zhǔn)測(cè)量“這一秒”
時(shí)間是人類古代文明歷史的主線_而“觀象授時(shí)”是人類祖先感受和認(rèn)識(shí)時(shí)間的重要手段。劉永鑫介紹_上古時(shí)期_人們通過觀察太陽在遠(yuǎn)山上升起的位置來確定一年中的時(shí)節(jié)_指導(dǎo)農(nóng)耕。借助太陽投影的位置的變化_人們發(fā)明圭表、日晷為代表的太陽鐘_測(cè)定一日的時(shí)刻；而香鐘、蠟鐘為代表的火鐘_銅壺滴漏為代表的水鐘_則是在沒有太陽的時(shí)候方便人們測(cè)量時(shí)間。_
隨著人們對(duì)計(jì)時(shí)精度要求的不斷提高_(dá)人類發(fā)明出了一系列測(cè)量時(shí)間的精密儀器_如機(jī)械鐘、電鐘、石英鐘、原子鐘_光鐘等。其中_最具代表性就是原子鐘。東南大學(xué)物理學(xué)院董帥教授接受《新華日?qǐng)?bào)·科技周刊》發(fā)文人采訪時(shí)表示_簡(jiǎn)單來說_原子鐘的工作原理是利用原子不同能階間躍遷_從高能級(jí)跳到低能級(jí)_發(fā)出一個(gè)光子_用這個(gè)頻率來定義時(shí)間。“原子鐘的好處是非常精準(zhǔn)。我們?nèi)粘Ｉ钪薪^大多數(shù)場(chǎng)合不需要這么精準(zhǔn)的時(shí)間_但在某些特殊場(chǎng)合則非常重要_如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)利用光速的無線電信號(hào)定位_一絲一毫的時(shí)間偏差_都會(huì)影響定位的精準(zhǔn)度。”董帥說。
除了原子鐘_自2002年以來_光鐘研究成為國(guó)際計(jì)量科學(xué)發(fā)展的一個(gè)新熱門。劉永鑫引用《科學(xué)》雜志此前報(bào)道的研究成果_光鐘將能提供“對(duì)物理世界更細(xì)致的觀察”。他以鍶原子光晶格鐘舉例_在她的激光束中_每一個(gè)光學(xué)晶格都擁有上千個(gè)中性鍶原子_而這種中性鍶原子每秒可進(jìn)行430萬億次的“滴答”。與原子鐘的僅一個(gè)離子在量子態(tài)下來回翻轉(zhuǎn)不同的是_鍶原子光晶格鐘可在每一次“滴答”中能夠產(chǎn)生上千個(gè)原子的波動(dòng)_這無疑讓后者在更短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到跟前者一樣的精準(zhǔn)度。據(jù)了解_鍶原子光晶格鐘50億年才會(huì)產(chǎn)生1秒誤差_有望成為新一代秒定義的標(biāo)準(zhǔn)。劉永鑫認(rèn)為_“總的來說_人們測(cè)量時(shí)間的方式可以視作是從天文轉(zhuǎn)向機(jī)械振蕩_再轉(zhuǎn)向電子振蕩_再到原子躍遷_而隨著脈沖星計(jì)時(shí)的發(fā)展_人們測(cè)量時(shí)間的方法又回歸到天文。”_
所謂“一瞬間”究竟能有多快
一滴水從高處落入水面_我們僅僅能看到墜落而下的水滴_卻很難察覺到原本平靜的水面因這個(gè)“不速之路”而引起的“波瀾”_墜落、躍起、破碎、變小_如此反復(fù)。為什么我們無法捕捉到這么細(xì)致的畫面？“這是因?yàn)槲覀冄劬Φ囊粋€(gè)重要特性是視覺暫留_即光象一旦在視網(wǎng)膜上形成_視覺將會(huì)對(duì)這個(gè)光象的感覺維持一個(gè)有限的時(shí)間_這是一種生理現(xiàn)象_是神經(jīng)系統(tǒng)的屬性。”董帥解釋_對(duì)于中等亮度的光刺激_視覺暫留時(shí)間約為0.05至0.2秒。在生活中_通常我們所看到的所謂“瞬間”_其實(shí)大多大于0.1秒_如果再快人眼就沒有辦法分辨了。_
一般來說_電影、電視的幀數(shù)大約一秒25～30幀_即在一秒鐘內(nèi)把25～30幅圖片連起來形成動(dòng)態(tài)視頻_這樣我們憑借肉眼看上去感覺就是連續(xù)的。據(jù)了解_一般家用攝像機(jī)每秒最多能達(dá)到100幀_高速攝像機(jī)可以達(dá)到1000～10000幀/秒的速度記錄_而有些軍方專用的高速攝像機(jī)甚至可以達(dá)到1百萬～1千萬幀/秒。你以為已經(jīng)夠快了嗎？“實(shí)際上_在真實(shí)微觀的分子世界_分子內(nèi)原子之間的相對(duì)振動(dòng)要快的多。一個(gè)振動(dòng)周期只有幾個(gè)到幾十飛秒_運(yùn)動(dòng)速度大約在105米/秒量級(jí)。”我國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員劉建勇告訴《新華日?qǐng)?bào)·科技周刊》發(fā)文人_實(shí)際化學(xué)反應(yīng)中分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的時(shí)間范圍可以達(dá)到皮秒（10-12秒）_甚至飛秒數(shù)量級(jí)。“飛秒是一個(gè)非常小的時(shí)間單位_1飛秒等于10-15秒。在1飛秒的時(shí)間內(nèi)_光在空氣中也只能向前傳播大約0.3微米。”
劉建勇表示_如果我們想要給分子運(yùn)動(dòng)“拍動(dòng)畫”_那么可能就需要用到飛秒激光技術(shù)。當(dāng)我們把一束飛秒激光脈沖照射到分子上_用分子與這束激光相互作用產(chǎn)生的分子光譜、電子能譜等信號(hào)來表征分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)_測(cè)量?jī)x器上就可以記錄下激光脈沖持續(xù)的這極短時(shí)間內(nèi)分子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生的信號(hào)。“這和在漆黑夜里一束閃電閃過時(shí)_我們看到的相對(duì)靜止的景象是類似的_都是超短的光脈沖對(duì)時(shí)間進(jìn)行的‘切片’。每發(fā)射一個(gè)脈沖_就如同按下了一個(gè)具有飛秒量級(jí)時(shí)間分辨的相機(jī)快門_這樣就可以將分子變化的‘一瞬間’記錄下來了。”劉建勇說。_交匯點(diǎn)發(fā)文人_謝詩(shī)涵_
