科学|时间都去哪了？时间从哪里来！我的时间怎么测量？( 四 )
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图7 美国科罗拉多大学叶军教授的锶晶格光钟 ， 锶原子光钟是时间精度世界纪录的保持者丨图片来源：创瞰巴黎
不断向低温进军
温度是一个很普遍的概念 ， 日常生活中的很多事情都会让我们感知到温度的存在 。 但是实际上传统意义上温度的概念只有在研究宏观物体的时候才有意义 ， 因为温度其实是大量粒子表现出来的集体性的性质 。 到了微观领域我们很难直接定义温度的概念 。 但是分子动理论中温度代表微观粒子运动速度快慢的观点很容易在微观世界找到对应 。 从这个观点出发 ， 我们希望将微观粒子的运动减小到最慢就是将微观粒子的温度降到最低 。 因此为了让钟的性能最佳 ， 我们不仅需要微观粒子 ， 更需要“冷”的微观粒子 ， 比如冷原子 ， 冷离子 。 热力学第三定律限制的最低的温度为-273.15℃ ， 因此为了方便这个温度也被定义为0K 。
正如微观粒子冷热的概念和宏观有所差异 ， 冷却微观粒子的方式也和宏观物体的方法大相径庭 。 最直观的降温方式便是通过更冷的物体带走热量 ， 自然界最冷的物体是液氦 ， 大约能达到4K 。 再往下传统的冷却手段就无能为力了 。 实验中冷却微观粒子是通过激光 ， 电磁场和原子相互作用实现的 。 通过一定的相互作用将微观粒子的动能转化到电磁波场中 ， 通过适当的实验方案设计就可以让微观粒子的能量不断降低 ， 速度不断减小 ， 对应的频率准确度也就越来越高 。 而目前实验室已经可以实现温度在10-9K量级的超冷原子！讲起来寥寥几句 ， 真正实现起来却十分复杂 ， 需要成千上百的光学器件 ， 以及大量的电子学设备 ， 每个部件还都要经过精准的调节 。
正是激微波 (激光) 、微观的电子结构和超冷物理这三者造就了极其精准的时间标准 ， 为精密测量铺平了道路 。 时间的测量精度的进一步提高也给其他的测量带来了新的思路 。 引力波测量就是一个很好的例子 ， 其中使用的关键技术和时间的精密测量一脉相承 。 人们为了在现有的框架下寻找新的物理 ， 也离不开更精准的测量 。 想要发现突破现有框架的物理 ， 就要拥有突破现有极限的测量精度 。
结语
测量不仅是人类文明的度规 ， 也是现代科学的基石 。 时间测量又在各种测量中占据了特殊的地位 。 由于时间测量是目前人类可以测量最准确的物理量 ， 其他很多测量的标准都通过物理学定律和时间测量绑定起来 。 为了实现最精准的实际测量 ， 人们使用了可见光作为周期计时计数信号 ， 使用超冷环境下的微观粒子进行周期较准 。 相信在不久的将来 ， 随着原子钟 ， 离子钟 ， 光钟等计时器的进一步发展 ， 人们对物理的规律会有更进一步的认识 ， 人类社会的发展会产生更多的变革 。
作者简介
李梦 ， 清华大学物理系19级直博生 ， 导师为杨硕教授 ， 目前主要研究方向是张量网络 。
本文经授权转载自微信公众号“探臻科技评论” 。
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