時空的精密測量——時間就是空間，空間就是時間

時空的精密測量——時間就是空間，空間就是時間人類在長度和時間的測定標準上精益求精努力向前 ————兼導讀 2012 諾貝爾物理學獎授予單量子態測量人類對於自然的最樸素的認識在於空間，時間和質量，描述空間的最基本要素就是長度測量，因此長度標準，時間標準和質量標準是人類認識自然世界的三個最基本的物理量。這裡只簡要介紹長度和時間的測量標準演變。有關長度的標準，古代各國多種多樣，比如有的使用國王的腳的長度（英尺的來源），或者由皇帝親自頒布，一朝天子一朝臣，改朝換代以後長度標準也會改變，這當然產生很多混亂，所以我們現在都知道秦始皇的一個偉大貢獻是統一了全中國的度量衡制度。到了近代，資本主義的發展帶來了世界性的貿易商業文化等交流，為了人類這方面的方便，在法國制定了一個國際長度標準，叫做國際米原器，標準定為1.00米，所以國家的長度測量都要以這個國際標準為準。這個國際米原器是由合金製造，隨溫度等環境因素變化較大，因此還不夠標準，人類與生俱來的精益求精的原動力，推動這個方面的不斷發展。之後的長度標準使用原子光譜。原子通常具有很特徵的發光譜線，就像人的指紋特徵一樣，我們幾乎找不到兩個人的指紋一樣，所以指紋就有很多用途。原子的這種特徵譜線就被用來作為長度標準。原子種類很多，每種原子的眾多譜線有弱有強，最後國際上選定使用氪－86同位素譜線，定義1米的長度等於氪－86原子的2P10和5d1能級之間躍遷的輻射在真空中波長的1650763．73倍。這一標準兼容了以前的米標準，並把長度測量的精確度大大提高了很多倍。再後來，激光的出現使人類得到了比原子譜線更細譜線，於是長度標準改用激光波長，比如定義氦氖激光的波長為632.8 nm。為此，人類在長度測量的標準上又前進了一步。可見光的頻率在10的14次方，激光的譜線雖然比較細，但是還是有一定的寬度，通常難於達到千赫茲（KHz）以下，實際上這個千赫茲相對於可見光的頻率10的14次方是微不足道的，但是人類總是在追求精益求精。最近的發展是，正在通過更進一步的激光技術，把這個激光的譜線寬度降低到1赫茲（1Hz）以下，達到零點幾赫茲甚至毫赫茲，或許更低，期待著將來能到達微赫茲（10的負6次方赫茲）甚至納赫茲（10的負9次方赫茲）。這就是眼下人類正在努力的科學前沿，將來的諾貝爾獎一定會授予此方面做出原創和卓越貢獻的科學家們。對於時間的標準，人類最早來自於對自然天（地球自轉一圈）的認識，世界各地的古代人就發展了很多原始技術把一天分成很多等分來計時。有的使用燃香，或使用漏壺滴水，或使用沙漏等等。這也是漢字鐘的來源。同期人類從對很多天文和自然的認識，衍生出了年，月，春夏秋冬等時期概念（星期不是），再分解為天。後來，人類對鞦韆式的擺動的周期性的認識，導致出現了單擺鐘。但是這種單擺鐘受到地球引力的嚴重影響，還不夠準確和精確。比如，同一個擺鐘放在船上，從葡萄牙航海到南非的好望角，就會產生很大的誤差。再後來，又出現了機械鐘擺技術，利用機械發條的彈性驅動的圓形機械擺，這大大改進了鐘的設計，產生了表。相信絕大多數讀者都使用過機械鬧鐘，懷錶和手錶更是相繼出現。由於近代科學技術的發展，人類精確測定了石英晶體內部電磁振蕩的周期，發現這個周期極為穩定，它不受氣候、地點、季節以及其它環境條件的影響，這就給更精確的測時、計時提供了可靠的依據。於是現在就有了十分普遍的石英鐘。過去的單擺鐘成了時尚的擺設，機械錶漸漸退出人間。第二次世界大戰以後，更準確的計時標準是原子鐘出現，這一新定義標誌著時間測量的一個新時代的到來。上面長度標準裡面討論過，原子的譜線很細，這在於原子內部兩個能級的間隔幾乎固定不變，同時就等於說這個譜線的頻率不變，於是出現了頻率標準（頻標）。這時候，時間標準和長度標準在這裡交叉了，或者說聯繫在一起了，頻率成為二者聯繫的紐帶。米被定義為光在以鉑原子鐘測量的0.000000003335640952秒內走過的距離。現在的一種原子鐘定義銫Cs133原子基態的兩個超精細能級間躍遷振蕩9192631770個周期所持續的時間為一個原子時秒。目前，多種原子鐘已經被開發出來，更多更準確更精確的原子鐘還在進一步開發當中。這就是一個世界基礎科學和高技術的前沿領域。由於其高度的準確和精確，2012年1月，國際通訊聯盟會議上決定用原子鐘時間取代使用了近130年的格林尼治標準時間。人類的計時工作又向前邁進了一步。科學技術發展到當代，長度標準和原子鐘問題牽涉到很多高精密測量問題，比如怎樣把激光和原子鐘所用的頻率測量準確，有了更準確地頻率，長度和時間就可以被更精密的定義，由此人類需要高精密測量技術。2005年的諾貝爾物理學獎授予了三個人，其中的二人是美國的John L. Hall 和 德國的Theodor W. H?nsch，以表彰他們對開發激光領域的精密測量技術上的貢獻。上面的這些科學和技術，雖然用到了一定的量子理論，比如激光技術本身和相關的高精密測量，但是，這些原子的頻率和譜線的精確位置還是落在經典物理學領域，屬於半經典半量子的範疇。更進一步的發展，就是使用單個量子態的頻率來同時定義長度和時間的測量標準。可喜的今天，2012年的10月9日，諾貝爾獎授予了授予法國科學家賽格爾·哈羅什和美國科學家戴維·維蘭德，以表彰他們在量子力學領域的重大成就，稱他們「提出了突破性的實驗方法，使測量和操控單個量子體系成為可能。下一步的發展，這個單量子態時鐘，會取代原子鐘，成為更進一步的長度和時間標準，也就是新的頻率標準。這裡就簡單地理出一條線，把長度標準和時間標準統一為頻率標準，為2005和2012年的諾貝爾物理學獎作了一個很淺顯的導言。適合非專業人士科普一番。一點感慨是，愛因斯坦的理論告訴我們，時間就是空間，空間就是時間，這在宇宙觀測過程中得到了很好的體現，那就是光年，這個是距離更代表了時間，比如我們看到100億光年遠的星星發出的光，表示這顆星是這麼遠，更表示這顆星發出這個光的時刻是100億年以前。在這裡，長度標準和時間標準通過頻率的高精密測量走到了一起，同樣的表達就是，時間就是空間，空間就是時間。宇宙的大宏觀是如此，在我們的眼觀和微觀更是如此。這很有意思，物理學總帶給人類思維的發展：當年伽利略的兩個鐵球同時落地改變了亞里士多德以來的觀點，牛頓告訴我們運動才是絕對，靜止只是偶然和有條件；愛因斯坦告訴我們時間就是空間，空間就是時間；楊振寧用規範場理論告訴我們，不管怎麼胡扯，一套完美理論體系的前前後後必須和諧圓滿。
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