時間的本質是什麼?物理學家用原子鐘把1秒分成10^33份

2021-01-09 關注未來世界

#科學了不起#

物理學中,時間是第四維度,然而,該如何定義時間呢?物理學兩大基本理論在這個問題上有根本性的衝突。量子力學在描述微觀粒子世界時很成功,它認為時間是普適的、公平的、絕對的,永遠不會發生改變。愛因斯坦的廣義相對論成功地描述了宇宙尺度的宏觀世界,它認為時間是相對的、可塑的、彈性的,引力和質量可以改變時間,把鐘錶放在大質量物體的旁邊時,時間會變慢,假如把時鐘放在黑洞中央,時間就會停止或消失。——我們常用的時鐘確實比衛星上的時鐘走得慢一些,因為我們比衛星更靠近地球。

物理學家試圖找到微觀世界與宏觀世界之間的聯繫,努力把量子力學和廣義相對論整合在一起,形成統一的理論,比方說,可以叫做「量子引力理論」。在此過程中,對於時間的定義是一個不可迴避的問題。

有些物理學家提出,或許時間不是連續的,而是離散的、可分割的。他們充分發揮了想像力,認為整個宇宙空間,處處都瀰漫著一種周期性振蕩的場,這種場的振蕩頻率很高,也就是所謂的「宇宙基本時鐘」。眾所周知,普朗克時間(10^秒)是時間的最小刻度。假如宇宙基本時鐘真的存在,那麼它「滴答」一次的時間應該就是普朗克時間。

該怎麼證實這種猜想呢?目前人類掌握的最精確的鐘是原子鐘,它的測量精度只有10^-18秒,顯然,用這樣的鐘遠遠不足以研究普朗克時間尺度上的問題。

近期,國際頂級學術期刊《物理評論快報》報導,一個國際研究團隊發現即使是兩個完全一樣的原子鐘,它們的「滴答」頻率也無法永遠保持一致。由此,他們提出了一種新的實驗方法,利用兩個原子鐘之間的偏差,把時間的測量精度降低了15個數量級,發展出一種可以研究10^-33秒時間尺度的方法。並且,他們利用這種方法,證實了宇宙基本時鐘「滴答」的頻率每秒鐘不低於10^33次。

時間測量精度達到10^-33秒是一個巨大的突破,但是,與普朗克時間(10^秒)還有很大的差距。用這種最新的方法研究普朗克時間尺度的問題,就像用1米的長尺研究原子尺度的問題。

未來,物理學家還會進一步發揮人類智慧的極致,或許可以揭開時間的奧秘。

參考資料:Garrett Wendel, Luis Martínez, and Martin Bojowald, Physical Implications of a Fundamental Period of Time. Phys. Rev. Lett. 124, 241301 (2020)

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