電影《流浪地球》中,為了用行星發動機將地球推離太陽,科學家先讓地球逐步停止自轉,日升日落的周期拉長,2058年一天的時長從24小時變為60小時。
為什么地球一天的時間會隨著自轉變慢而拉長?
60小時一天???(打工人看來首先被犧牲了,996真是福報 )
那看不到太陽了,我們一日一天的時間該如何測量呢?
什么是“日”
人類最早認識的第一個時間單位就是“日”。(沒錯就是指代太陽的那個“日”)
遠古時代,沒有任何東西能像黎明降于大地的光明和溫暖,以及日落帶來的黑暗與寒冷更影響人類的生存。
這一次日出到下一次日出,或這一次日落到下一次日落,這樣天然、強烈的變化周期,使人們逐漸產生了日的概念,而時、分、秒也都是從自然時間單位——“日”,經過人為劃分得到的。
隨著天文學的發展,我們知道了 “日”是以地球自轉運動為基礎的時間單位,地球自轉變慢,一日的時間也就變長。
但科學家通過長期的天文觀測,認識到了地球的自轉和公轉并不穩定(比三體星系還是靠譜),以地球轉動作為時間單位的參考并不精確。
在《流浪地球2》的設定中,地球嚴酷的流浪之旅顯然無法采用自然的計時方法,人們又如何得到精準的時間以協調系統龐雜的巨型工程呢?
其實不用等到未來,現在的科學家已經基于量子精密測量技術,開發了超高精度的計時工具!
地球跑了也能精準測量時間
1955年,世界第一臺銫原子鐘誕生。
人們很快意識到,當處于特定頻率的微波輻射下時,銫原子的電子會在不同能級之間反復躍遷,并產生振動頻率固定的電磁波,其頻率不但遠超石英晶體的頻率,而且同種原子的同一種躍遷釋放的電磁波頻率是固定的。
以這種固定頻率電磁波作為諧振子的計時工具將實現前所未有的超高計時精度。
1967年,科學家通過銫-133原子在微波頻率下的跳動,重新定義了時間的基本單位——秒。自那之后,1秒就被定義為銫原子的電子自旋翻轉9192631770次的持續時間。這一定義一直沿用至今。
這里用到的就是對時間頻率的精密測量技術——原子鐘。
目前,先進的光晶格原子鐘已實現10-18量級的頻率準確度和10-17量級的秒級穩定度,大幅度提高了時頻測量的精度 。此外,2021年,中國科學技術大學研究團隊在固態體系中(金剛石NV色心)開展了首個類原子缺陷全同性檢驗的工作,頻率檢驗精度達赫茲級,基于這一結果提出了新型固態原子鐘方案。
精密測量是科學研究的基礎
整個現代自然科學和物質文明是伴隨著測量精度的不斷提升而發展的。
以時間測量為例,從古代的日晷,到近代的機械鐘,再到現代的石英鐘、原子鐘,隨著時間測量的精度不斷提升,通信、導航等技術才得以不斷發展,不僅給社會生活帶來極大的便利,也為新的科學發現提供了利器。
以全球定位系統(GPS)來說,每顆GPS衛星都攜帶一個原子鐘,而根據愛因斯坦的相對論,我們知道繞地球高速運行的衛星上的原子鐘的時間流逝,會稍慢于地面上的時鐘。如果沒有這種高精度的定義,我們就無法對這些微小的差異進行修正,GPS定位也就不可能實現。
因此,更高的測量精度一直是人類孜孜以求的目標。
量子精密測量是利用量子力學規律,特別是基本量子體系的一致性,對一些關鍵物理量進行高精度與高靈敏度的測量。利用量子精密測量方法,人們在時間、長度、質量、頻率、加速度、電磁場等物理量上可以獲得前所未有的測量精度,并應用于量子導航、量子雷達、痕量原子示蹤、弱磁場探測等領域。
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