談“沙漏”到“量子時(shí)空”的計(jì)時(shí)精度

葉四山

遠(yuǎn)古，觀日月星辰，計(jì)時(shí)精度低。

人類最早使用的計(jì)時(shí)儀器是利用太陽(yáng)的射影長(zhǎng)短和方向來(lái)判斷時(shí)間的。前者稱為圭表，用來(lái)測(cè)量日中時(shí)間、定四季和辨方位；后者稱為日晷，用來(lái)測(cè)量時(shí)間。二者統(tǒng)稱為太陽(yáng)鐘。

公元前1300～前1027年，中國(guó)殷商時(shí)期的甲骨文，已有使用圭表的記載?！对?shī)經(jīng)·國(guó)風(fēng)·定之方中》篇有，“定之方中，作于楚宮。揆之以曰，作于楚室……”。確切記載使用圭表的時(shí)間為公元前659年。

圭表等太陽(yáng)鐘在陰天或夜間就失去效用。為此人們又發(fā)明了漏壺和沙漏、油燈鐘和蠟燭鐘等計(jì)時(shí)儀器。

利用沙漏，人工計(jì)時(shí)，精度有所提高，它由兩個(gè)白色的座子和三根透明的柱子搭成，中間是兩個(gè)水滴形狀的透明玻璃罩組成的”葫蘆”。它的玻璃罩里有許多紫色的沙粒，這些沙粒能通過小孔，從一個(gè)玻璃罩流向另一個(gè)玻璃罩。

沙漏也叫“沙鐘”，是古代一種計(jì)時(shí)裝置。

沙漏與我國(guó)古代另一種計(jì)時(shí)工具漏刻的工作原理大體相同。漏刻是根據(jù)從一個(gè)壺流到另一個(gè)壺的水量來(lái)計(jì)時(shí)，而沙漏則是根據(jù)從一個(gè)容器漏到另一個(gè)容器的沙量來(lái)計(jì)時(shí)。

后來(lái)，逐漸形成較高精確度的計(jì)時(shí)體系，如一種新的鍶原子鐘，其精度高達(dá)每150億年才誤差1秒。

1960年至1967年間，世界度量衡標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議改以地球公轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，定義1900年為平均太陽(yáng)年，秒的定義更改為“太陽(yáng)年之31556925.9747分之一”。

在1967年召開的第13屆國(guó)際計(jì)量學(xué)大會(huì)上，秒的定義進(jìn)入原子時(shí)代：1秒鐘被定義為銫原子電子9192631770次的固有微小振蕩頻率，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一直沿用至今。

計(jì)時(shí)方式的不同，標(biāo)志著生產(chǎn)能力與精神文明的巨大差別，從茹毛飲血到宇宙探索，與計(jì)時(shí)進(jìn)步有密切聯(lián)系。

因刻漏冬天水易結(jié)冰，故有改用流沙驅(qū)動(dòng)的?！睹魇贰ぬ煳闹尽份d明初詹希元?jiǎng)?chuàng)造了“五輪沙漏”。后來(lái)周述學(xué)加大了流沙孔，以防堵塞，改用六個(gè)輪子。宋濂（1310～1381）著《宋學(xué)士文集》記載了沙漏結(jié)構(gòu)，有零件尺寸和減速齒輪各輪齒數(shù)，并說(shuō)第五輪的軸梢沒有齒，而裝有指示時(shí)間的測(cè)量盤。

西方發(fā)現(xiàn)最早的沙漏大約在公元1100年，比我國(guó)的沙漏出現(xiàn)要晚?，F(xiàn)存的最早的記錄是英語(yǔ)船舶“香格里拉喬治”上的文員托馬斯Stetesham在1345年的銷售收據(jù)。

最著名的沙漏是1360年詹希元?jiǎng)?chuàng)制的“五輪沙漏”。流沙從漏斗形的沙池流到初輪邊上的沙斗里，驅(qū)動(dòng)初輪，從而帶動(dòng)各級(jí)機(jī)械齒輪旋轉(zhuǎn)。最后一級(jí)齒輪帶動(dòng)在水平面上旋轉(zhuǎn)的中輪，中輪的軸心上有一根指針，指針則在一個(gè)有刻線的儀器圓盤上轉(zhuǎn)動(dòng)，以此顯示時(shí)刻，這種顯示方法幾乎與現(xiàn)代時(shí)鐘的表面結(jié)構(gòu)完全相同。

此外，每到整點(diǎn)或一刻，兩個(gè)木人便會(huì)自行出來(lái)，擊鼓報(bào)告時(shí)刻。這種沙漏脫離了輔助的天文儀器，已經(jīng)獨(dú)立成為一種機(jī)械性的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。而且比漏刻更精確。

麥哲倫世界各地的航行期間，他的每艘船保持18沙漏。在船舶的文書工作中，運(yùn)行沙漏從而為船舶的日志提供時(shí)間。

歐洲人普遍使用的沙漏、水鐘（即水日晷）和重錘驅(qū)動(dòng)的自鳴鐘同時(shí)傳入中國(guó)。

沙漏傳入中國(guó)后，曾在航海上用作計(jì)時(shí)器。乾隆二十三年（1758年），周煌撰《琉球國(guó)志略》，言及從福州開船到琉球，船行“一更為六十里”，并用沙漏計(jì)時(shí)，“每二漏半有零為一更”。

當(dāng)代，所用量子精確計(jì)時(shí)，可用于對(duì)宇宙常數(shù)進(jìn)行重新測(cè)量，這將有助于科學(xué)家們檢驗(yàn)自然界中的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)從宇宙形成初期到現(xiàn)在130多億年的時(shí)間是否在變，對(duì)它的測(cè)量是檢驗(yàn)已有物理理論是否一致的一種方法。

宇宙大爆炸理論認(rèn)為，宇宙開始是一個(gè)無(wú)限小的奇點(diǎn)，突然爆炸后產(chǎn)生今天的世界，變化那么大，當(dāng)時(shí)的常數(shù)有可能與現(xiàn)在的常數(shù)不一樣。但高能物理又想將愛因斯坦的相對(duì)論引力場(chǎng)與量子力學(xué)結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)模型，大家去作不同的修正，在修正過程中會(huì)用不同的理論和常數(shù)。其中一個(gè)就是用基本常數(shù)來(lái)測(cè)量，如果真正測(cè)量出這些微小變化的量，那么會(huì)影響到我們對(duì)整個(gè)宇宙的理論。

即使只將時(shí)間的準(zhǔn)確度增加幾分之一秒，這將在測(cè)定長(zhǎng)距離方面大有用途，比如測(cè)量太空中遙遠(yuǎn)星系的距離。如今，此科學(xué)家小組還想進(jìn)一步提高此原子鐘的精確度。

通過聚集的激光束讓電子在其精確的軌道之間來(lái)回?cái)[動(dòng)，就能形成原子鐘的鐘擺。

1960年以前，世界度量衡標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，定義平均太陽(yáng)曰之1/86400為秒的定義，即1秒是1/60分鐘，1分鐘是1/60小時(shí)，而1小時(shí)則是1/24天，因此，1秒等于1天的1/86400。但是，因?yàn)榈厍虻倪\(yùn)轉(zhuǎn)速度及與太陽(yáng)的距離在改變，所以，一個(gè)正午至第二個(gè)正午的時(shí)間，并非都一樣長(zhǎng)。

根據(jù)量子原理，同一原子的電子在不同能量態(tài)之間躍遷時(shí)所釋放的電磁波是恒定的，所以可以用這種頻率作為時(shí)間間隔的精確依據(jù)。

時(shí)間測(cè)量的精度也在不斷提高。1350年，第一座機(jī)械鬧鐘出現(xiàn)在德國(guó)。1583年，伽利略發(fā)現(xiàn)單擺的擺動(dòng)周期與振幅無(wú)關(guān)，這是時(shí)鐘歷史上的一大進(jìn)步。1656年，荷蘭天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家惠更斯提出了單擺原理并制作了第一座自擺鐘，從此，時(shí)鐘誤差可以秒來(lái)計(jì)算。到1762年，最好的機(jī)械表已經(jīng)能夠達(dá)到每3天才差1秒鐘的精度，但在現(xiàn)代航空、航海和物理學(xué)研究領(lǐng)域還需要更精確的計(jì)時(shí)。

1945年，美國(guó)紐約哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家拉比提出用原子束磁共振技術(shù)來(lái)做原子鐘的概念。1948年，NIST用氨分子作為磁振源，制成了世界上第一臺(tái)原子鐘。1952年，NIST制成第一臺(tái)銫原子鐘，將之命名為NBS-1（是以當(dāng)時(shí)的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NationalBureau of Standards）命名，簡(jiǎn)稱NBS），這一命名規(guī)則一直延續(xù)到1975年的NBS-6。現(xiàn)在存放于NIST的銫原子鐘為NIST-F1，精度為3000萬(wàn)年差一秒。

鍶原子能級(jí)躍遷的速度比銫原子快1000倍，從理論上講，鍶原子鐘比銫原子鐘更準(zhǔn)確，但是，鍶原子鐘制作落后于銫原子鐘，因?yàn)闇y(cè)量頻率如此之快原子能級(jí)躍遷非常困難。

糾纏是關(guān)于量子力學(xué)理論最著名的預(yù)測(cè)。它描述了兩個(gè)粒子互相糾纏，即使相距遙遠(yuǎn)距離，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的一很特別的靈犀.感應(yīng)

史前，混沌，盤古開天劈地，才有時(shí)差觀念。

牛頓提出時(shí)空絕對(duì)觀念，面對(duì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)間的許多問題雖然無(wú)能無(wú)力的，但這時(shí)的機(jī)械鐘精確度比較高，一天誤差以秒計(jì)。

當(dāng)今，高科技領(lǐng)域，量子計(jì)時(shí)，千萬(wàn)年相差1秒是容易實(shí)現(xiàn)的。