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科学探索

不完美的时钟:时间测量的不确定性

科学探索万象经验2024-05-04

时间不可避免地向前推进是物理学中一个令人着迷的未解谜题。为了探索这一问题,科学家们剥离时钟至其最基础的构成,以期揭示时间的真实流逝。然而,在此过程中,他们意外发现,由于量子力学的原理,完美的时钟是不可能实现的。

无论是探索微观的亚原子粒子还是宏观的整个可观察宇宙,数学都是不可或缺的工具。具体而言,我们依赖一系列方程,这些方程代表物理定律,指导我们理解系统如何随时间演变。确实,系统的变化要求我们在方程中引入时间变量。然而有趣的是,基本上所有物理定律都具有时间对称性,这意味着它们在描述未来发展趋势时,与描述过去状态一样准确有效。

因此,如果我们掌握了某个系统当前的完整信息,就可以通过方程向前推演来预测未来,或者向后推演来回溯过去。这表明,从物理学的视角看,未来和过去并没有本质的区别。当然,这一点有一个例外——热力学第二定律。这一定律涉及到所有系统共有的一个特性:熵,它是对系统混乱程度的量化。

根据热力学第二定律,如果我们想要使宇宙的某个部分变得更加有序,就必须在其他地方增加熵作为代价。而且,系统处于无序状态的可能性远大于有序状态。因此,随着时间的流逝,熵的增加成为了不可避免的趋势。这就是我们能够区分过去和未来的原因:过去的熵值较低,而未来的熵值将会更高。
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几年前,英国和奥地利的科学家们的研究对我们理解时间的流逝产生了重要影响。他们指出,测量时间需要用到时钟,而时钟的外观并不关键,重要的是其内部有一个以恒定速率运行的机制。这个机制,通常是一个振荡器,能够以可预测的模式摆动。

然而,随着时间的流逝,时钟也在不断地进入新的、更加无序的状态。这意味着,时钟在跟踪时间的同时,也在向宇宙贡献自身的熵。研究人员发现,对于极小的时钟,其产生的熵与其精度有关。

精度这一术语,实际上是指时钟的准确性。设想一个以固定速率滴答作响的时钟,通过计算滴答声的次数并乘以两次滴答之间的时间间隔,我们就能知道时间的流逝。但由于计数不可能完美无误,最终会产生微小的误差。因此,时钟的精度可以通过它偏离准确时间所需的滴答声次数来衡量。

对于每秒滴答一次的传统钟摆时钟,我们会询问它需要多久时间才能快一秒或慢一秒。而今天,最先进的原子钟可以运行数十亿年而不会失去一秒钟。但原子钟的尺寸庞大且极其复杂。因此,为了更好地理解时间,我们需要简化的时钟理论模型。

科学家们意识到,简化时钟的“滴答声”可能并非如我们所期望的那样以固定频率出现,而是随机发生的。这种随机性带来了预测下一次滴答声何时到来的不确定性,从而对精度的衡量提出了挑战。为了让他们的时钟有用,滴答声应该是有规律的。

因此,研究人员在这些随机滴答声之上设计了一个重复过滤器,它会以一定的时间步长过滤掉一些滴答声。这个过滤器就像一个有固定时间开关的门,只有在门打开时人才能进去。但即使使用过滤器,您也不能保证每个时间间隔都会听到一次滴答声。就像有时门开着,却没有人进去,这会导致不准确的情况出现。

过滤器越好,意味着滴答之间的时间越一致,而他们所需要添加的部件就越多。添加部件正是增加熵的原因,换句话说,你的时钟越准确,你的时钟给宇宙带来的熵就越多。这项研究合作的英国部分进行了一项实验,使用了他们能建造的尽可能简单的时钟:电路中摆动的纳米级硅片。最终,实验证实了模型:更高的精度意味着更高的熵。

考虑到这一结果,奥地利的科学家意识到,时钟的精度并不是他们必须考虑的唯一因素。他们还需要担心其分辨率,它指的是可以用时钟测量到的最小时间步长。毕竟,你不能用老钟来计时百米冲刺,因为它们缺少毫秒级别的分辨率。

在当今科学领域,阿秒级的脉冲可以测量极其微小的时间间隔,但这种测量不需要在很长的时间跨度内保持精确。相比之下,原子钟的分辨率虽然不如阿秒脉冲,但它们能在更长的时间跨度内保持时间的准确追踪。那么,我们能否制造出一个既具有阿秒脉冲的分辨率,又具有原子钟精确性的时钟呢?

根据奥地利团队的研究,答案是不可能的。他们发现,为了提高时钟的分辨率,需要一个能够以更小的时间步长工作的过滤器。但如果随机滴答声不够频繁,这种改进就无效。而滴答声频繁则会增加熵,影响精度。因此,他们发现时钟的精度与分辨率之间存在权衡:时钟越准确,其分辨率就越低,反之亦然。这种权衡类似于量子力学中的不确定性原理,但它源于宇宙对增加熵的需求。这种效应在我们的日常生活中似乎并不重要,因为它只在微观尺度上或在极端分辨率或精度的极限下才显著。