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滴答滴,分秒必爭的原子鐘──《我們如何走到今天》

PanSci_96
・2017/03/30 ・2179字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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

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。

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

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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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。
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