世界上最小的時間尺度是什麼？

2020-10-20 陝西藝網網絡科技

對氫分子的平均鍵長來說，一個光子穿過氫分子所需的時間是247仄秒。

一

秒是我們生活中常用的最短的時間單位。短跑名將博爾特創造的100米短跑世界紀錄是9.58秒，它已經代表了某種人類生理極限。我們常說的「一眨眼的功夫」，大約是0.3秒~0.4秒。

但這些離「最短時間」的極限還差很遠。科學家普遍認為，在已知物理學定律的尺度邊界上，最小的時間尺度是普朗克時間，約5.4×10*-44秒，也就是以真空光速通過普朗克長度（1.6×10*-35米）所用的時間。

然而，人類現有的測量技術還無法企及這一時間尺度。在更短、更快的探索道路上，科學家始終在嘗試突破。

時間長度示意圖（圖片未按比例）。| 圖片設計：雯雯子

二

在極短時間測量的歷程中，一個飛躍性的裡程碑來自化學家艾哈邁德·澤韋爾（Ahmed Zewail）。1999年，澤韋爾因利用飛秒譜學研究化學反應的過渡態，被授予諾貝爾化學獎。

飛秒是多快？一飛秒等於10*-15秒，也就是0.000000000000001秒。用一種更直觀的說法，一飛秒與一秒的比例，相當於一秒和3200萬年的比例。化學反應的實際發生，也就是化學鍵的形成和斷裂，就發生在飛秒的時間尺度上。

澤韋爾的技術基於一種新的雷射技術，能夠以數十飛秒的量級閃光。利用這種高速照相機，就能在實際化學反應的過程中對分子成像，並捕捉到過渡態中分子的照片。

飛秒化學示意圖。首先，化學反應由雷射閃光觸發。在第一個脈衝之後，第二個雷射脈衝以不同的時間間隔發送，對分子中發生的變化進行瞬時快照。| 圖片來源：DESY

澤韋爾也因此成為飛秒化學（femtochemistry）領域的奠基人，這一領域讓人們從一種全新的時間尺度上理解化學反應的細節，並得到了廣泛的應用。

在澤韋爾之後，時間測量的尺度仍在不斷下降。直到2016年，科學家突破進入了仄秒（zeptosecond）尺度的範疇。一仄秒等於10*-21秒，當時，一組研究人員利用雷射測量出了時長850仄秒的時間增量。

近日，歌德大學原子物理學家Reinhard Dörner教授帶領團隊研究了一個時間更短的過程。他們測量了一個光子穿過一個氫分子所需的時間——對分子的平均鍵長而言，這一事件大約是247仄秒，這也是迄今為止成功測量的最短時間跨度。研究已於近日發表在《科學》雜誌。

三

光致電離是一種光與物質相互作用的基本量子過程。在這個過程中，光子與原子或分子相互作用，光子的吸收引發電子的逃逸。這一過程已經成為研究物質、分子、液體和固體的一種強大的工具。這一過程的時間通常取決於電子軌道、固體中的能量帶、目標分子的方向、手性等因素，但對其時間尺度的探索也帶來了許多懸而未決的問題。

在這項新的研究中，科學家利用X射線對一個氫分子（包含兩個質子和兩個電子）進行輻照，並測量了時間。研究人員設定了X射線的能量，使得一個光子足以將兩個電子從氫分子中發射出來。

光子會首先將一個電子從氫分子中「彈」出，接著再將第二個電子彈出。這個過程可以簡單想像成，光子就像我們在河邊扔出去的鵝卵石片，它在水面上彈起，掠過水麵兩次。

電子同時表現為粒子和波，因此第一個電子的發射會導致電子波首先從氫分子的一個原子中發射出來，然後從第二個原子中連續迅速發射，隨之產生波的合併。當波谷遇到波峰時，第一次和第二次的波相互抵消，形成所謂的幹涉圖樣。如果沿用剛才那個比方，簡單來說，鵝卵石片每次與水面接觸時，就會在水面上產生漣漪，而兩次的波紋互相作用，就能形成一種獨特的圖案。

研究人員利用X射線對氫分子進行輻照，並根據觀測計算出光子通過氫分子的時間。| 圖片來源：Grundmann, S. et al./Science（圖片有簡略，原圖可見論文）

接著，科學家利用COLTRIMS（冷靶反衝離子動量譜儀）反應顯微鏡測量了第一個被發射的電子的幹涉圖樣。COLTRIMS是一種特殊的儀器，它能呈現出原子和分子中的超快速反應過程。

在測量幹涉圖樣的同時，COLTRIMS反應顯微鏡還可以測定氫分子的方位。有了分子的空間方位，就可以利用兩個電子波的幹涉精確地計算出，光子是何時到達第一個氫原子的，又是何時到達第二個氫原子的。對於氫分子的平均鍵長而言，這一過程是247仄秒。這刷新了目前人類測量到的時間的新紀錄。

針對這項研究，通訊作者Dörner教授表示，這是第一次觀察到分子中的電子殼層不會同時與任何地方的光發生反應。時間延遲是因為分子內的信息只會以光速傳播。這一發現也將COLTRIMS技術擴展到了一個新的應用領域。

參考來源：

[1]https://aktuelles.uni-frankfurt.de/englisch/physics-zeptoseconds-new-world-record-in-short-time-measurement/

[2]https://science.sciencemag.org/content/370/6514/339

[3]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1999/summary/

[4]https://www.sciencealert.com/a-new-shortest-unit-of-time-has-just-been-measured-it-s-a-zeptosecond

本文來自微信公眾號：原理，作者：Takeko

相關焦點

  • 精選一組罕見的宇宙大圖;宇宙最小的尺度與宇宙最大的尺度
    宇宙最小的尺度是普朗克長度，是有意義的最小可測長度；普朗克長度≈1.6x10-33釐米（一個質子大小的1022分之一。）宇宙最大尺度；可觀測直徑930億光年，預估直徑1600億光年；至於930億光年之外有什麼那是人類大腦所不能理解的問題！
  • 宇宙尺度;最低與最高溫度、最短與最長時間及最小與最大長度
    （西藏雪蓮）c，世界上最耐寒的花，是中國的雪蓮，即使-50℃也依舊盛開。h，宇宙最高溫度：據現時的物理宇宙學，這是宇宙大爆炸第一個瞬間的溫度(第一個單位普朗克時間)。普朗克溫度 T=1.416833(85) × 10的32次方K 是熱力學上最高的溫度。二，宇宙最短與最長時間。
  • 宇宙中存在一個最小的距離尺度嗎?
    因為宏觀物體是由粒子組成的，而粒子只能在亞原子尺度上進行探測。為了研究宇宙的屬性，我們必須在儘可能小的尺度上觀察最小的構件。只有了解了它們在基本層面上的性質，我們才有可能了解它們如何組合起來創造出我們所熟悉的人類尺度的宇宙。但是我們對小尺度宇宙的認識不能延伸到任意小的距離尺度。一旦小於10-35米，即普朗克距離尺度，那麼傳統的物理定律就不再有意義。
  • 美俄物理學家在極小尺度上扭轉了時間之矢
    我們怎麼知道時間是有方向的？如果播放一段視頻，畫面裡有個杯子落到地上，摔成了碎片。沒有人會覺得這一過程有什麼不自然的問題。但是，如果看到地上四散的玻璃碎片躍起，拼成了一個完整的玻璃杯，我們都會意識到，這段視頻是倒放的！
  • 不同時間尺度下的確定性和不確定性
    如果你能掌握量子層面微觀世界的時間尺度和能量尺度，微觀世界的不確定性會如何？量子微觀世界的時間尺度和能量尺度比宏觀世界小几億-億億倍。宏觀世界去看微觀世界，因為時間尺度太大了，不能分辨微觀尺度下的各種粒子（量子）的高速變化情況，只能用概率和統計方法去分析了。
  • 世界上最小的兩棲動物是什麼? 身長是多少?
    世界上最小的兩棲動物是什麼？ 身長是多少？時間：2016-03-22 12:13   來源：川北在線整理   責任編輯：沫朵 川北在線核心提示：原標題：世界上最小的兩棲動物是什麼？ 身長是多少？ 世界上最大的兩棲動物這個榮譽毫無疑問屬於大鯢。那麼，最小的兩棲動物是什麼呢?
  • 而是在最小的尺度上表現出量子漲落
    但是宇宙的一個重要特性，以及宇宙膨脹以最驚人的方式拯救了我們；空間本身並不是完全平坦和光滑的，而是在最小的尺度上表現出量子漲落。圖註：量子場理論計算的可視化圖顯示了量子真空中的虛擬粒子，即使在空蕩蕩的空間裡，這種真空能量也不為零。
  • 世界上最小的熊是什麼熊？馬來熊體型最小
    在這裡很多人都很奇怪了，有那麼小嗎？世界上最小的熊是什麼熊？馬來熊是世界上體型最小的熊，長到成年最大也只有150釐米，民間傳說中的水鬼照片也只是脫了毛的馬來熊。馬來熊也是熊類中唯一一個不需要冬眠的熊，它們食物比較廣泛，從腐肉到白蟻都是它們的盤中餐，但是因為人類的捕殺，目前已經被列為國家一級保護動物。
  • 世界上最小的鳥是什麼鳥
    那今天我給大家說一說世界上最小的鳥是什麼鳥。世界上比較小的鳥是蜂鳥，大家肯定也都聽說過蜂鳥，但最小的蜂鳥是一種名叫吸蜜蜂鳥的鳥。它是世界上最小的鳥，也是世界上最小的恆溫動物。他們的身長一般都在5 cm左右，從嘴到尾端一共才有5 cm長。他們平均體重只有2 g左右，非常輕，他的嘴非常細，像縫衣服的針一樣。舌頭就像一根兒細細的線。你看他長得是多麼小巧。
  • 世界上最年輕的海是什麼海？以大海的顏色而命名
    地球的年紀是很大的，其誕生的時間是常人難以想像的，宇宙的尺度就是這麼的龐大。人類的文明在地球上也不過千年而已，這樣的時間對於地球而言不過是轉瞬即逝。基於這樣的情況，地球上的很多存在，年紀都非常之大了。地球有超過70%的面積是海洋，對於海洋我盟最為熟知的就是分布全球的七大洋了，不過除了七大洋之外，也有一些面積比較小的海洋，像地中海、紅海等，其中紅海世界上最年輕的海洋，它到底有多年輕呢？
  • 粒子、場與群論，在最基本的尺度上，宇宙的基本構件是什麼？
    粒子相互作用，在基本水平上，是世界的組合方式。（百度百科）1939年，數學物理學家尤金·維格納將粒子定義為可移動、旋轉和增強的最簡單物體。他意識到，一個物體要想在這10個龐加萊變換下完美地變換，它必須有一個最小的屬性集，而粒子有這些屬性。
  • 科學家發現世界上最小的超導體
    最新一期《自然·納米技術》雜誌網絡版上，美國俄亥俄州立大學的科學家發表論文指出，他們已發現了世界上最小的超導體，其由4對小於1納米的分子組成。該發現首次為納米級分子超導線的製造提供了證據，將在納米級電子設備及能源技術的開發上具有廣泛應用。 　　科學家表示，利用金屬半導體製造納米級的連接線幾乎是不可能的，因為隨著線徑縮小，其阻抗會增加，進而納米線會因發熱熔化或損毀。焦耳熱問題已成為製作納米級器件的一個主要障礙。　　在低於某一溫度時，一些材料的電阻會突然消失，這種現象被稱為超導。
  • 世界最小電影是怎樣製作出來的?
    你可能看過無數的電影，其中有最感人至深的，有最令人捧腹的，但是你欣賞過由金氏世界紀錄認定的世界上最小的電影嗎？2013年5月2日，IBM的科學家發布了一分半左右的影片名為《男孩和他的原子》。但事實上，這部短短的影片使用了當今世界最尖端的技術——簡而言之，你看到的「影片」是被放大了一億倍之後的效果。那麼，這部世界最小影片是怎樣製作出來的呢？IBM科學家的「幕布」是銅製的襯底，而「演員」竟是一個一個的一氧化碳分子。科學家們通過對銅襯底表面上一氧化碳分子的移動和擺放，形成單幀靜態的原子尺度的圖像。令人感興趣的是，他們是如何「擺放」大小不足一個納米的一氧化碳分子呢？
  • 物理學家創造了世界上最小的引擎
    都柏林聖三一學院的理論物理學家是建立世界上最小的發動機的國際合作項目之一 - 作為單一鈣離子，它比汽車發動機小約100億倍。John Goold教授在Trinity物理學院的QuSys小組所做的工作描述了這種微型電機背後的科學。這項研究發表在國際期刊「 物理評論快報」上，解釋了隨機波動如何影響微觀機器的運行。
  • 普朗克長度是什麼?為什麼它是空間的最小單位,而不可再分?
    比如普朗克長度，普朗克時間。人們聽到這些物理術語也深感困惑，按照樸素的思想觀，任何物體都可以無限細分，沒有最小的長度，只有更短的長度。而普朗克長度規定了物質的最小尺度，如果再小就毫無意義了。其對所有事物的認知都包含時間，空間，質量這三個基本要素。而時間並不可無限細分，普朗克時間就是時間的最小單位了。人們對時空裡發生的所有事物的認知，包括直觀的物體和抽象的思想，在宏觀上體現無法就是無數個普朗克時間和長度的疊加。科學家規定普朗克時間就是：光在真空中傳播一個普朗克長度所需的時間。所以搞清普朗克長度就自然明白了普朗克時間了。
  • 時間是什麼?空間是什麼?解答了這些,就了解了世界的本質
    每個人都會有過這樣的疑問，我存在的這地方是個什麼？把我的皮膚變出許多皺紋的時間又是個什麼？按理來說，空間和時間是構成我們這個世界的最基本要素，可是很遺憾，我們現在對時間和空間的了解還遠遠不足以讓人滿意。
  • 俄科學家合成世界上最小的發光生物分子
    據俄羅斯科學院網站報導，克拉斯諾亞爾斯克的生物物理學家利用一種叫做Metridia longa的小型橈足類海蝦合成了世界上最小的發光生物分子--螢光素酶分子。其研究成果全文發表在《生物化學和生物物理研究通訊》中，在西伯利亞聯邦大學網站上可檢索到內容提要。據西伯利亞聯邦大學研究生馬莉娜?拉裡奧諾娃（文章第一作者）表示，這是目前已知的最小尺度的螢光素酶，實驗表明，其蛋白質具有極高的活性和極端的熱穩定性。     俄科學家通過將螢光素酶的基因放入一種病毒體內，隨後將病毒植入鱗翅目幼蟲細胞，從而成功提取出螢光素酶蛋白。
  • 從極小尺度到極大尺度,宇宙為何變得如此廣闊?存在必然性嗎?
    是什麼讓我們的宇宙如此廣闊又如此特殊？時間已經進入了21世紀，正如我們所見，隨著人們對宇宙的理解越來越深，現在有大量的證據表明，我們周圍的可見宇宙起源於137億年前的一個炙熱的高密度火球——俗稱「大爆炸」。
  • 神秘的「迷你世界」 世界上最小的生物
    神秘的「迷你世界」 世界上最小的生物時間：2015-09-19 22:34   來源：川北在線整理   責任編輯：沫朵 川北在線核心提示：原標題：神秘的迷你世界 世界上最小的生物 當巴布亞紐幾內亞夜幕降臨，你會聽到從森林覆被裡傳出的高亢的、類似昆蟲的叫聲。然而，它們並非昆蟲，而是完全成型的青蛙。
  • 腦筋急轉彎:是什麼東西比這世界上最小動物的嘴巴還要小的?
    現在，它指的是一些小測驗，不能用平常的想法回答。腦筋急轉彎是更廣泛的分類：有困惑，有趣的課，數學課，和人類。腦筋急轉彎是一種娛樂形式，也是一種流行的文字遊戲。當我們跟女朋友約會，拿出來逗一逗她，讓她每天開開心心喔！下面一起來猜猜吧！腦筋急轉彎：是什麼東西比這世界上最小動物的嘴巴還要小的？