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时间的标准化

10小时前
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NIST的镱光晶格钟——© J. Burrus/National Institute of Standards and Technology
NIST的镱光晶格钟——© J. Burrus/National Institute of Standards and Technology

现实诞生于我们的双手之中。当我们怀疑某样东西是否存在时,就会伸出食指去触碰它。你电脑的键盘、手机的玻璃屏幕是真实的,它们存在着。你的手指可以清楚地确认这一点。我们自己也知道自己存在于这个世界上。如果你心存疑虑,可以用两种方法来确认:第一种是掐一下自己的手臂,这是一种非常常用的方法。你也可以就在此刻,问问离你最近的人是否存在。我们等一等。回答是肯定的吗?那么,这个人就存在。回答是否定的?请确认一下身边的人是否真的存在,伸出食指去碰碰他。他存在吗?实验的结论就交给你了。这样看来,我们的双手似乎就是现实的摇篮。但事实真是如此吗?


我们所做的一切都发生在我们自己的世界里,我们无法伸出食指去触碰其他世界,更不用说踏足其中。也许正因为如此,人们才很难相信在我们的世界之外还存在着别的世界。根据为数不多的试图解答这一问题的理论之一,存在着其他一些世界,而我们自己也同样存在于其中。物理学家们站在其创造力令人目眩的顶峰,将这一理论命名为“多世界诠释”。这一想法的提出者是Hugh Everett III。12岁时,Everett曾写信给Albert Einstein,请教一个问题:如果一股无法阻挡的力作用于一个不可移动的物体,会发生什么?回信是这样的:

“亲爱的Hugh:不存在什么不可抗拒的力和不可移动的物体。不过,似乎有一个非常固执的年轻人,他为此特意给自己制造了种种奇特的困难,又胜利地闯了过来。此致,A. Einstein”。

也许正是这位物理学最伟大天才的回信促使他走上了物理学家的道路,也许是母亲讲给他的故事,又或许是他对父亲步枪弹丸的研究。我们无从得知。我们所知道的是,Hugh Everett III本人在多个领域都是天才,并提出了帮助我们理解量子力学运作方式的最有趣的方案之一。他的多世界诠释如今在物理学界被公认为量子力学的主要理论之一,但情况并非一直如此。


哥本哈根诠释


第五届Solvay会议(布鲁塞尔,1927年10月)的与会者,会议主题为“电子与光子”。前排就座者:Irving Langmuir、Max Planck、Marie Curie、Hendrik Lorentz(主席)、Albert Einstein、Paul Langevin、Charles-Eugène Guye、C. T. R. Wilson和Owen Willans Richardson。后排:Niels Bohr、Werner Heisenberg、Wolfgang Pauli、Max Born、Paul Dirac、Louis de Broglie、Arthur Compton等量子物理学的核心人物。29位与会者中,有17位获得了诺贝尔奖。
第五届Solvay会议(布鲁塞尔,1927年10月)的与会者,会议主题为“电子与光子”。前排就座者:Irving Langmuir、Max Planck、Marie Curie、Hendrik Lorentz(主席)、Albert Einstein、Paul Langevin、Charles-Eugène Guye、C. T. R. Wilson和Owen Willans Richardson。后排:Niels Bohr、Werner Heisenberg、Wolfgang Pauli、Max Born、Paul Dirac、Louis de Broglie、Arthur Compton等量子物理学的核心人物。29位与会者中,有17位获得了诺贝尔奖。

1912年,比利时企业家Ernest Solvay创办了每三年举行一次的Solvay会议(1)。1927年10月召开的第五届会议以电子与光子为主题,是有史以来最重要的会议之一。共有29位科学家参会,其中17位已经或后来获得了诺贝尔奖。与会者中不乏Albert Einstein、Niels Bohr、Max Planck、Erwin Schrödinger等响亮的名字。这次会议讨论了刚刚提出的量子理论,尤其是Einstein与Bohr之间关于电子行为的一场著名辩论。著名的“哥本哈根诠释”正是诞生于这次会议。要理解它,我们首先需要了解两年前、即1925年Schrödinger的发现。

Schrödinger通过他的方程证明:尽管在宏观的世界观中,Newton第二定律(F = ma)能够得出很好的结果,但在量子层面却并非如此。

因此,Schrödinger方程可以用来计算电子轨道的能量,并且表明电子的确切位置是无法预测的。之所以无法预测,是因为电子处于叠加态,也就是同时处于多个位置。既然同时处于多个位置,就可以说电子的行为不像粒子,而像波。然而,当我们观测一个电子时,看到的却仿佛是一个粒子。于是,哥本哈根诠释认为,电子的行为像波,但一旦被观测,它的波函数就会坍缩,从而显现为粒子。Einstein所反对的,正是Bohr的这一观点。据说,正是在这场辩论之后,Einstein说出了他那句名言:

“上帝不掷骰子”

他指的是,Bohr为解释波与粒子之间的转变而提出的解答建立在概率之上,而且还取决于观测者。Bohr的回答很简单:

“Einstein,别再告诉上帝该怎么做了”。

多年来一直透过Newton经典物理学的眼光看待世界的这些天才,此时面对的是一个无法确证的现实。引发这一切争议的方程的提出者Schrödinger本人,也认为波函数坍缩的想法荒谬可笑。他甚至因此提出了物理学中最富机趣的实验之一,即如今广为人知的“Schrödinger的猫”实验。




Schrödinger的猫


Schrödinger的猫这一思想实验的示意图——描绘了Erwin Schrödinger提出的量子悖论:在打开盒子观测系统之前,猫同时处于既活着又死去的状态。
Schrödinger的猫这一思想实验的示意图——描绘了Erwin Schrödinger提出的量子悖论:在打开盒子观测系统之前,猫同时处于既活着又死去的状态。

Schrödinger的猫这一实验,意在说明把哥本哈根诠释套用到日常普通物体上是多么荒谬。实验内容很简单:把一只猫和一瓶氰化物、一种放射性物质以及一台辐射探测器一起放进一个盒子里。根据量子物理学,放射性物质的原子在实验期间可能衰变,也可能不衰变。如果放射性物质的粒子发生衰变并因而释放出辐射,装毒药的瓶子就会被打破,猫就会死去。如果粒子没有衰变,猫就会活着。按照哥本哈根诠释,在打开盒子之前,猫同时既是活的又是死的。然而,一旦打开盒子,观测者看到的要么是一只活猫,要么是一只死猫。正如Einstein所说,这并不是一个容易接受的理论,但直到今天,它一直被广泛接受。




多世界诠释


受多世界诠释启发的视觉呈现。
受多世界诠释启发的视觉呈现。

第五届Solvay会议三十年后,Hugh Everett进行了博士论文答辩,在论文中英勇地为当时已享誉世界的Bohr所面临的问题提出了一个解决方案。答辩结束后,Everett的导师设法让Bohr答应接见他。然而,据Everett妻子的讲述,Bohr连谈都不愿谈这个话题,更没有接见他。


Everett的提议相当简单:他建议仅用Schrödinger方程来解释电子的行为,到这里为止并无特别之处。然而,接下来的想法就要大胆一些了。

面对电子位置的测量问题,Everett提出,仅仅是观测一个电子这一行为,就会创造出一个新的世界,在那个世界里,同一个电子以粒子的形式出现。

这个世界不同于先前的世界——在先前的世界里,这个粒子仍然表现得像波。Everett的这一构想被冠以一个富有想象力的名字:多世界理论。根据多世界诠释,Schrödinger的猫、观测者乃至整个世界都处于叠加态,这显然更为自洽。正因如此,自然就必须考虑多个世界的存在。直到今天,多世界诠释仍是为数不多的、为量子物理学中电子位置测量问题提供解决方案的理论之一。认可它的不仅有科幻爱好者,也有像Sean Carroll这样知名的物理学家。



双手与现实


我们同时存在于多个世界的想法令人不安。量子物理学所揭示的未知之广袤令人生畏。我们甚至连现实本身是什么都弄不明白了。我们只能认为,现实只是在我们的思想中诞生、存活和消亡。毕竟,早在出生之前,我们就已经在父母的心念中开始存在。我们并不是因为有人触碰了我们才变得真实。我们的双手也不能让脚下所踏的世界变得真实。我们无法触碰现实,更不可能让我们触碰到的东西变得真实。


现在我们知道,现实会从我们手中溜走,而且饱受存在问题的困扰。而从上周末起,我们又发现时间也患有类似的病症。对于现实,我们无能为力。至于时间,IPR作为一所制表学校,至少有责任尝试把它讲清楚——即便人们认为时间并不存在,无论这听起来多么荒谬。

什么是时间


在制表的世界里,时间不仅是一种哲学上的抽象概念或情感上的价值:它是一个必须精确测量的物理量。时间标准化的历史走过了一条非凡的道路,其中尤为突出的是国际计量大会(CGPM)——负责正式定义国际单位制(SI)基本单位(其中包括秒)的国际机构。



米制公约:标准化的起源


基于铯-133原子辐射的秒定义概念插图——由国际计量大会(Conférence générale des poids et mesures,CGPM)于1967年通过。
基于铯-133原子辐射的秒定义概念插图——由国际计量大会(Conférence générale des poids et mesures,CGPM)于1967年通过。

1875年5月20日,包括葡萄牙在内的二十个国家在巴黎签署了《米制公约》。这项国际条约为全球统一计量单位奠定了基础,并促成了总部设在巴黎近郊塞夫尔的国际计量局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)的成立。


BIPM的工作最初集中于米和千克的定义,后来扩展到其他物理量——其中就包括时间。这些工作的协调由国际计量大会负责,该大会自1889年起定期召开,负责批准定义、修订标准并确保国际单位制的一致性。



天文秒:一个不稳定的定义


几个世纪以来,时间一直依靠天文观测来测量。

秒曾被定义为平均太阳日的1 ⁄ 86400——即地球自转一周的二十四分之一再除以3600。

然而,人们发现地球的自转并不恒定。它会受到地质、大气和引力等因素的影响,产生微小且无法预测的变化。


对于卫星导航、电信网络同步或科学计时等要求极高精度的应用来说,这种不稳定性变得无法接受。人们需要找到一个存在于整个自然界、恒定不变的基准。



原子秒:精确度的革命


答案来自光谱学和量子物理学。原子在能级之间跃迁时,会发出具有特定频率的辐射。就铯-133而言,这一频率异常稳定。


1967年,第13届国际计量大会通过了秒的新定义:

“秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。”

这一时刻是一个历史性的里程碑。时间单位第一次不再依赖于天体,而是依赖于原子物理学中一个恒定不变的现象。从那时起,原子钟便成为精度的最高标准。



从巴黎走向世界:随铯的节奏运行的钟


NIST的镱光晶格钟——© J. Burrus/National Institute of Standards and Technology
NIST的镱光晶格钟——© J. Burrus/National Institute of Standards and Technology

CGPM继续监督SI定义的演进。2019年,它以普适常数为基础,重新定义了千克、安培、开尔文和摩尔。然而,时间单位依旧锚定于铯的辐射,尽管人们正在为未来更加精确的标准铺平道路——例如光晶格钟。


光晶格钟


近年来,所谓的光晶格钟已成为最精确的计时仪器。它们与铯原子钟的不同之处在于,使用的是被囚禁在光晶格中的中性原子——光晶格是一种由激光构成、能将原子固定在特定位置的结构。


这些原子由光学辐射激发,其频率远高于铯原子钟所用的微波,从而实现了无与伦比的时间分辨率。

这些系统的精度之高,以至于根据最新数据,其累积误差在300亿年内不到一秒。

虽然铯作为国际单位制基准的地位尚未被正式取代,但光晶格钟是未来重新定义秒的主要候选者,目前正在世界各地的国家计量实验室中接受测试。



葡萄牙:一个没有法定时间的国家


如今在葡萄牙,比在其他国家更有理由说时间并不存在,因为在为国家服务了145年之后,里斯本天文台已不再是法定时间的发布机构。


自2019年以来,立法和机构上的变动造成了职能上的真空,使得第279/79号法令所规定的内容无法履行。发布官方时间的职责将移交给Instituto Português da Qualidade(葡萄牙质量研究所),但相关立法程序至今仍悬而未决。


在此期间,这个国家既没有在运作的发布机构,也没有一座正式显示时间的公共时钟。


曾经拥有欧洲最负盛名的天文台之一的葡萄牙,就这样不再拥有自己的法定时间。







注释:

(1)Solvay会议源于Ernest Solvay(1838–1922)的远见与慷慨。他是一位比利时实业家和化学家,凭借开发生产碳酸钠的化学工艺积累了财富。Solvay深信科学进步需要同时代最伟大的思想家之间展开对话,于是在1911年创办了一系列高水平的科学会议,将世界上最具影响力的物理学家聚集在一个自由而严谨的辩论环境中。他的这一倡议在1927年著名的第五届会议上达到顶峰。那届会议以量子理论为主题,两种现实观在此交锋:Einstein的决定论观点与Bohr的概率论诠释。Ernest Solvay不仅是一位资助者,更是一个空间的缔造者,在这里,科学获得了质疑自身根基的自由。尽管这些会议并未制定计量标准,但它们对于支撑当今时间测量方式的理论构建至关重要——尤其是通过支撑原子钟的量子物理学。


参考资料

书籍

  1. Kragh, H. (1999). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press.

  2. Carroll, S. (2019). Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime. Dutton Books.

  3. Byrne, P. (2010). The Many Worlds of Hugh Everett III. Oxford University Press.

  4. Heisenberg, W. (1958). Physics and Philosophy. Harper.

  5. Quinn, T. J. (2012). From Artefacts to Atoms. Oxford University Press.

  6. Rovelli, C. (2017). The Order of Time. Allen Lane.

  7. Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press.


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