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圖片來源：pixabay

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基本時(shí)鐘

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描述微觀粒子世界的量子力學(xué)認(rèn)為，時(shí)間是固定的，它是普適且絕對(duì)的，就像是一個(gè)不會(huì)發(fā)生更改的背景。但在描述引力的廣義相對(duì)論中，時(shí)間是“可塑的”，它能以奇怪的方式變化，位于引力場不同位置的時(shí)鐘會(huì)以不同的速度“擺動(dòng)”。例如當(dāng)靠近大質(zhì)量物體時(shí)，時(shí)鐘“擺動(dòng)”的速度會(huì)變慢，而這并不只是一種“奇怪的學(xué)說”，在地球表面的時(shí)鐘的確滯后于處于軌道衛(wèi)星上的時(shí)鐘。

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當(dāng)物理學(xué)家們?cè)噲D將這兩個(gè)理論結(jié)合成量子引力理論時(shí)，他們必須調(diào)和這兩種對(duì)時(shí)間的描述。有的物理學(xué)家認(rèn)為，要調(diào)和這種矛盾，或許我們不能將時(shí)間看成是連續(xù)的存在，而是離散的時(shí)間周期。

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這一想法與粒子物理學(xué)中，基本粒子的特性可通過與其他粒子或場發(fā)生相互作用而獲得的概念類似。比如在宇宙的空間中，處處都彌漫著希格斯場，粒子通過與希格斯場發(fā)生相互作用，就能獲得質(zhì)量。那么有沒有可能粒子通過與某種會(huì)周期性振蕩的場發(fā)生相互作用，而體驗(yàn)到了時(shí)間？其中振蕩的場的振蕩周期就像一次有規(guī)律的“滴答”聲，宛如現(xiàn)實(shí)世界中會(huì)擺動(dòng)的時(shí)鐘那樣。

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物理學(xué)家猜想，如果真的有這樣一個(gè)基本時(shí)鐘在我們的宇宙中為整個(gè)宇宙計(jì)時(shí)的話，那么它滴答轉(zhuǎn)動(dòng)的速度一定非常快。而且與希格斯場一樣，它或許還有可能與物質(zhì)相互作用，改變物理現(xiàn)象。

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量子振蕩

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然而對(duì)于這樣一個(gè)基本時(shí)鐘，物理學(xué)家還缺乏一個(gè)可用于描述它的理論，同時(shí)他們至今仍未能參透時(shí)間的本質(zhì)。因此，研究包括基本時(shí)鐘在內(nèi)的不同時(shí)間機(jī)制，是幫助物理學(xué)家制定新理論的關(guān)鍵。

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在一項(xiàng)新的研究中，物理學(xué)家將這個(gè)宇宙時(shí)鐘想象成了一個(gè)量子振蕩器，并對(duì)它的振蕩周期進(jìn)行了推導(dǎo)。他們得出的結(jié)果認(rèn)為，如果宇宙中確實(shí)有這樣一個(gè)基本時(shí)鐘，那么它的滴答頻率必須超過每秒1033次。這一結(jié)果被發(fā)表在了近期的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

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在新的研究中，研究人員考慮了兩個(gè)以不同頻率振蕩的量子振蕩器，他們用較快的那個(gè)振蕩器來代表宇宙的基本時(shí)鐘，用較慢的振蕩器來代表實(shí)驗(yàn)室中的可測量系統(tǒng)，比如原子鐘中的原子。原子鐘是目前最精確的時(shí)鐘，他們創(chuàng)造一個(gè)能將這兩個(gè)振蕩器耦合在一起并發(fā)生相互作用的系統(tǒng)，探討了基本時(shí)鐘對(duì)原子鐘可能產(chǎn)生的影響。

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研究人員發(fā)現(xiàn)，這種相互作用會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)振蕩器慢慢失去同步，使得原子鐘都不可能無限期地維持一個(gè)恒定的“滴答”周期，而是以不規(guī)則的時(shí)間間隔運(yùn)轉(zhuǎn)。這為時(shí)鐘的精度增添了一個(gè)基本的限制。這意味著，如果在這個(gè)精度極限下對(duì)兩個(gè)完全相同的原子鐘進(jìn)行測量，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的“滴答”聲永遠(yuǎn)無法完全一致。而通過這種行為，研究人員確認(rèn)：時(shí)間有一個(gè)基本周期，這個(gè)周期是對(duì)時(shí)間可被分割成的終極極限。

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時(shí)間基本周期

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量子物理學(xué)禁止任何小于10??3秒的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間長度被稱為普朗克時(shí)間，這是物理學(xué)家認(rèn)為的最短的可測量時(shí)間長度。如果真的存在一個(gè)基本時(shí)鐘，那么普朗克時(shí)間或許會(huì)是一個(gè)合理的運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)奏。

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研究人員利用上述的去同步化特性，推導(dǎo)出基本時(shí)鐘的振蕩周期上限為10?33秒，雖然它比普朗克時(shí)間大101?倍，乍看之下，這似乎是一個(gè)巨大的差距，但在一些物理學(xué)家眼中，這已經(jīng)非常接近普朗克時(shí)間了。

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我們目前已有的最精確原子時(shí)鐘的“滴答”周期大約是10?33秒的101?倍。顯然，創(chuàng)建一個(gè)這樣的時(shí)鐘遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們目前技術(shù)所能做到的。但利用新研究中的模型，物理學(xué)家可以通過時(shí)鐘間的不同步來測量時(shí)間，從而得以在更短的時(shí)間尺度上進(jìn)行測量。

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此外，選用這種量子振蕩系統(tǒng)作為基本時(shí)鐘模型的另一個(gè)好處在于，這樣的系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室中使用的時(shí)鐘非常類似，這些相似性能把基本時(shí)間問題帶入一個(gè)更具象的環(huán)境中。未來，更精確的原子鐘將能提供更多關(guān)于宇宙運(yùn)轉(zhuǎn)的信息。

參考來源：

https://physics.aps.org/articles/v13/99https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.241301

https://www.livescience.com/what-are-smallest-ticks-of-time.html

https://www.sciencenews.org/article/time-universe-fundamental-cosmic-clock

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