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滴答滴,分秒必爭的原子鐘──《我們如何走到今天》

一路走來始終如一的銫原子

精確計時,根本來講,就是要找到或製造出,以始終如一的節奏振盪的東西:東升的太陽、圓缺的月亮、祭壇燈、石英晶體。

二十世紀初期,在尼爾斯.波耳(Niels Bohr)和維爾納.海森堡(Werner Heisenberg)等科學家領軍下發現了原子,啟動了能量和武器方面一連串令人嘆為觀止且致命的創新:核電廠、氫彈。但原子這門新學科也揭露了一項不為人稱道但同樣重要的發現:人類所知最始終如一的振盪器。波耳研究銫原子內繞軌運行的電子的行為,注意到它們以驚人的規律性運動。電子未受擾於山脈或潮汐的混沌牽引,打出一個比地球自轉還要可靠數個數量級的節奏。

最早的原子鐘於 1950 年代中期造出,立即為精確度設下一個新標竿:從此我們能測量毫微秒,精確度比石英的微秒高出千倍。那一躍進最終使國際度量衡大會得以於 1967 年宣布改造時間的時刻已經到來。在這個新時代,地球的主時間將用原子秒來測量:「銫原子同位素 133 基態超精細能階躍遷的 9,192,631,770 個週期所持續的時間」定為一秒。一天不再是地球自轉一圈所花的時間,而是在世界各地兩百七十個同步原子鐘所計算出的八萬六千四百個原子秒。

最早的原子鐘於 1950 年代中期造出,立即為精確度設下一個新標竿:從此我們能測量毫微秒,精確度比石英的微秒高出千倍。圖/By National Physical Laboratory, Public Domain, wikimedia commons

但舊的計時器未就此完全消失。今日的原子鐘其實用石英機械來計秒,倚賴銫原子和其電子來修正石英計時的隨機偏離。世上的原子鐘每年根據地球軌道的混沌漂移重設時間,增添或調快一秒以使原子節奏和太陽節奏不致偏離同步太遠。時間紀律的多種科學領域-天文學、電磁學、亞原子物理學,都牢牢嵌在主鐘裡。

原子時間的魔法無處不在

毫微秒的出現或許讓人覺得像是個深奧難解的轉變,只有出席度量衡大會的那類人會感興趣。但原子時間的出現已徹底改變了日常生活

當手機試圖確定其所在位置,至少抓下三個來自衛星的這些時間戳,由於信號從衛星傳送到你手上的 GPS 接收器需要一段時間,三個時間戳所報的時間有些微差異。報出較晚時間的衛星,比報出較早時間的衛星來得近。衛星的所在位置完全可以預測,因此手機能用三個時間戳進行三角測量法,算出其確切位置。圖/By El pak, Public Domain, wikimedia commons

全球航空交通、電話網、金融市場,都倚賴原子鐘毫微秒程度的精確。(世界若沒有這些現代鐘,高頻交易這一備受唾棄的行為會於一個毫微秒裡消失無蹤。)每次低頭瞄一眼智慧手機以查看自己所在位置,就是在無意間查看了安置在近地軌道衛星中的二十四個原子鐘所構成的網絡。

那些衛星一再發送出最基本的信號,無休無止:時間是 11 點 48 分 25.084738 秒……時間是 11 點 48 分 25.084739 秒……當手機試圖確定其所在位置,至少抓下三個來自衛星的這些時間戳,由於信號從衛星傳送到你手上的 GPS 接收器需要一段時間,三個時間戳所報的時間有些微差異。報出較晚時間的衛星,比報出較早時間的衛星來得近。衛星的所在位置完全可以預測,因此手機能用三個時間戳進行三角測量法,算出其確切位置。

 

用 GPS 航向偉大的航道吧!

一如十八世紀的海軍導航員,GPS 藉由比較時鐘來斷定你的所在位置。這在鐘表史上其實屢見不鮮:計時上的每個新進展,都使我們在支配地理上得以有相應的進步―從船,到鐵路,到航空,到 GPS 皆是。那是愛因斯坦若地下有知會大為激賞的一個想法:測量時間成為測量空間的關鍵。

下次你低頭看手機以查明當下幾點幾分或你身在何處,就像僅僅二十年前以同樣動作查看手表或地圖時,想想那個充滿人類巧思的廣大、多層次網絡,那個已架設定位而使那一動作成為可能的網絡。

你能看出當下的時間,全拜以下諸多成就之賜:了解電子如何於銫原子內運行;知道如何從衛星發送微波信號以及如何測出那些信號確切的傳送速度;能把衛星安放在地球上空可靠的軌道,當然還有使衛星離開地表所需要的火箭科學;能在一組二氧化矽裡引發穩定的振動──遑論處理資訊、使資訊呈現於你手機上所不可或缺的計算與微電子學方面和網絡科學方面的種種進步。

如今你不必知道這些東西就能看出現在幾點幾分,但進步就是那樣運行的:我們愈是建造龐大的科學知識庫、技術知識庫,就愈是把它們隱藏。每次你查看手機以了解現在幾點幾分,你就受到那種種知識無聲的幫助,但那些知識你看不到。這當然予人很大的便利,但也使人看不出自伽利略於比薩大教堂對著祭壇燈胡思亂想以來,我們已有多少進展。


 

 

本文摘自《我們如何走到今天?印刷術促成細胞的發現到製冷技術形塑城市樣貌,一段你不知道卻影響人類兩千年的文明發展史》,麥田出版。

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