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基本時鍾

描述微觀粒子世界的量子力學認為(wei) ，時間是固定的，它是普適且絕對的，就像是一個(ge) 不會(hui) 發生更改的背景。但在描述引力的廣義(yi) 相對論中，時間是“可塑的”，它能以奇怪的方式變化，位於(yu) 引力場不同位置的時鍾會(hui) 以不同的速度“擺動”。例如當靠近大質量物體(ti) 時，時鍾“擺動”的速度會(hui) 變慢，而這並不隻是一種“奇怪的學說”，在地球表麵的時鍾的確滯後於(yu) 處於(yu) 軌道衛星上的時鍾。

當物理學家們(men) 試圖將這兩(liang) 個(ge) 理論結合成量子引力理論時，他們(men) 必須調和這兩(liang) 種對時間的描述。有的物理學家認為(wei) ，要調和這種矛盾，或許我們(men) 不能將時間看成是連續的存在，而是離散的時間周期。

這一想法與(yu) 粒子物理學中，基本粒子的特性可通過與(yu) 其他粒子或場發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(yu) 希格斯場發生相互作用，就能獲得質量。那麽(me) 有沒有可能粒子通過與(yu) 某種會(hui) 周期性振蕩的場發生相互作用，而體(ti) 驗到了時間？其中振蕩的場的振蕩周期就像一次有規律的“滴答”聲，宛如現實世界中會(hui) 擺動的時鍾那樣。

物理學家猜想，如果真的有這樣一個(ge) 基本時鍾在我們(men) 的宇宙中為(wei) 整個(ge) 宇宙計時的話，那麽(me) 它滴答轉動的速度一定非常快。而且與(yu) 希格斯場一樣，它或許還有可能與(yu) 物質相互作用，改變物理現象。

量子振蕩

然而對於(yu) 這樣一個(ge) 基本時鍾，物理學家還缺乏一個(ge) 可用於(yu) 描述它的理論，同時他們(men) 至今仍未能參透時間的本質。因此，研究包括基本時鍾在內(nei) 的不同時間機製，是幫助物理學家製定新理論的關(guan) 鍵。

在一項新的研究中，物理學家將這個(ge) 宇宙時鍾想象成了一個(ge) 量子振蕩器，並對它的振蕩周期進行了推導。他們(men) 得出的結果認為(wei) ，如果宇宙中確實有這樣一個(ge) 基本時鍾，那麽(me) 它的滴答頻率必須超過每秒10³³次。這一結果被發表在了近期的《物理評論快報》上。

在新的研究中，研究人員考慮了兩(liang) 個(ge) 以不同頻率振蕩的量子振蕩器，他們(men) 用較快的那個(ge) 振蕩器來代表宇宙的基本時鍾，用較慢的振蕩器來代表實驗室中的可測量係統，比如原子鍾中的原子。原子鍾是目前最精確的時鍾，他們(men) 創造一個(ge) 能將這兩(liang) 個(ge) 振蕩器耦合在一起並發生相互作用的係統，探討了基本時鍾對原子鍾可能產(chan) 生的影響。

研究人員發現，這種相互作用會(hui) 導致兩(liang) 個(ge) 振蕩器慢慢失去同步，使得原子鍾都不可能無限期地維持一個(ge) 恒定的“滴答”周期，而是以不規則的時間間隔運轉。這為(wei) 時鍾的精度增添了一個(ge) 基本的限製。這意味著，如果在這個(ge) 精度極限下對兩(liang) 個(ge) 完全相同的原子鍾進行測量，就會(hui) 發現它們(men) 的“滴答”聲永遠無法完全一致。而通過這種行為(wei) ，研究人員確認：時間有一個(ge) 基本周期，這個(ge) 周期是對時間可被分割成的終極極限。

時間基本周期

量子物理學禁止任何小於(yu) 10⁻⁴³秒的時間，這個(ge) 時間長度被稱為(wei) 普朗克時間，這是物理學家認為(wei) 的最短的可測量時間長度。如果真的存在一個(ge) 基本時鍾，那麽(me) 普朗克時間或許會(hui) 是一個(ge) 合理的運轉節奏。

研究人員利用上述的去同步化特性，推導出基本時鍾的振蕩周期上限為(wei) 10⁻³³秒，雖然它比普朗克時間大10¹⁰倍，乍看之下，這似乎是一個(ge) 巨大的差距，但在一些物理學家眼中，這已經非常接近普朗克時間了。

我們(men) 目前已有的最精確原子時鍾的“滴答”周期大約是10⁻³³秒的10¹⁵倍。顯然，創建一個(ge) 這樣的時鍾遠遠超出了我們(men) 目前技術所能做到的。但利用新研究中的模型，物理學家可以通過時鍾間的不同步來測量時間，從(cong) 而得以在更短的時間尺度上進行測量。

此外，選用這種量子振蕩係統作為(wei) 基本時鍾模型的另一個(ge) 好處在於(yu) ，這樣的係統與(yu) 實驗室中使用的時鍾非常類似，這些相似性能把基本時間問題帶入一個(ge) 更具象的環境中。未來，更精確的原子鍾將能提供更多關(guan) 於(yu) 宇宙運轉的信息。

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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