正文 第十一章 一秒是怎麼定出來的(二)(3 / 3)

當然,實現這場變革的困難是很多的。但是,科學家從來不懼怕科學實驗中的困難,他們也從來不會繞開困難走。“科學有險阻,苦戰能過關。”目前,他們正在埋頭苦幹,實驗室的試驗已經取得了初步成果,變革的曙光已經露出地平線。

實現這場變革以後會產生一些什麼結果,它將給計量科學帶來怎樣的影響?在光子鍾做成之前,我們還難以做出詳盡的具體的描述,但是,我們可以從理論上推測它可能提出的新問題。

我們知道,時間、長度和質量是三個基本物理量,其他物理量,例如速度、溫度、照度、電壓、功率等,都可以通過3個基本量導出。比如速度,它就是由長度和時間導出的;

如果激光時間標準取得成功,它首先會動搖長度標準——米的定義。

米是世界各國使用比較廣泛,而且也是比較先進的計量長度的單位。1米的長度是指法國巴黎所在經圈上一個象限的子午線長度的1000萬分之一。最初,人們用高硬度和抗氧化的鉑銥合金做成所謂“米原器”來保持米的標準長度。這種合金的膨脹係數雖然很小,但不能保證其長度不隨時間而變化。從1960年起,國際上決定用氪的一條發射線波長來定義米。就是說,用波長的倍數來表示米的長度。用這種方法確定米長,精度約為10.8量級,即兩次測量之間的誤差約為0.01微米。

但是,頻率測量的精度目前已經提高到10—13以上。這裏就提出一個亟待解決的問題:波長和頻率通過光速相互聯係著,光速等於波長X與頻率7的乘積,這樣,光速的精度就受到波長標準的限製。因此,近年來國際上正在醞釀要不要重新定義光速。如果重新定義光速,那麼米就會不再是獨立的計量單位,它將通過光速與秒定義統一起來。這樣,三大基本量就會變成為“兩大基本量”。

另外,其他一些導出單位也可能隨之取決於時間。例如電壓測量就可能是這樣。

目前,電氣工程師用“標準電池”測量電壓,精度在10—5~10-6量級。但是我們知道,交流電的頻率與電壓的關係是:

代表電子的電荷,一個常數,叫普朗克常數。選取適當的比值外,就可以把電壓測量轉化為頻率測量,即轉化為時間的測量,因為時間和頻率互為倒數。

激光時間標準所具有的巨大潛力已引起世界各國的普遍重視,包括我國在內的許多國家的研究工作正在取得進展,時間計量史上的又一個裏程碑已經開始破土奠基。我們熱切期待著我國時間工作者為它早日揭幕做出較大的貢獻。

百萬分之一秒的用途

在現代社會的日常生活中,時間精確到秒已經足夠了。我們從未發現有哪個民航機場會把班機起飛時間定在幾時幾分幾秒點幾幾,也沒看到有哪個學校會把學生上課、下學的時間作類似規定。即使是最新式的現代電子手表,它給出的時間也隻到秒為止。那麼,科學家們為什麼要把時間測得那樣準,要精確到萬分之一秒、百萬分之一秒,甚至億分之一秒呢?難道他們真的是一些嗜奇的怪人?

完全不是!

科學家最講究效益。如果生產實踐和科學研究沒有需要,他們絕對不會去耗費自己的精力,浪費光陰和社會財富。

一般說來,人的時間反應大約為十分之幾秒,從反應時間到開始執行某種動作,大約要隔幾秒鍾。因此在日常生活中,人們對小於秒的時間,要求並不迫切。但是,在生產活動和科學研究中,情況則完全不同。

最簡單的例子是百米賽跑。在現代運動水平上,有時準確到十分之一秒還難決雌雄,必須準確到百分之一秒才能選出優勝者。

另一個例子是對於雷電的研究。雷電是大家熟悉的一種自然現象。在炎熱的夏天,突然狂風大作,烏雲翻滾,雷雨交加。撕破長空的閃電,震耳欲聾的雷聲,往往摧毀房屋、橋梁,毀壞森林、堤壩,甚至帶來人身傷亡事故。在過去,有些人常常把這種自然現象說成是雷公顯靈、懲罰人間。後來,美國科學家富蘭克林在一次雷雨中放出一個風箏,從雲層中引出電火花,才打破了關於雷電的迷信傳說。但是,在富蘭克林之後的差不多兩個世紀裏,沒有一個人真正知道閃電劃過天空時究竟發生了一些什麼事情。

其原因就在於時間測量精度不高,人們難以分辨雷電發生的過程。現在我們知道,每次雷電都有一個“主雷區”,它發出沉悶的先導雷聲,然後在雲層中分叉、放電,劃出閃光傳向地麵,每一過程所經曆的時間都不到萬分之一秒。如果時間測量精確不到萬分之一秒,人們就很難研究雷電的全過程,也不可能找到今天這樣避免雷擊的方法。

再如研究爆炸過程。開山劈路要炸藥,保衛國家獨立、安全要擁有各種武器,其中常規武器也要用炸藥。炸藥的爆炸過程很快,甘油炸藥或黃色炸藥,其爆炸發生在百萬分之一秒(微秒)的短時間裏;現代魚雷用一種高速炸藥引爆,從引爆到爆炸隻要20多個微秒。化學家和國防技術人員要試驗和記錄各種物質的爆炸速度,沒有精確到百萬分之一秒的時間測量,他們不僅不能找到有效的爆炸物質,而且有時連他們的生命也難以保全。

至於宇宙航行,它對時間的要求就更高。飛船或衛星的發射、入軌、製導、重返大氣層、安全回收或著陸,每一過程都需要有精密的時間測量。從發射場、飛行控製中心,到回收監視區域,都需要有專門控製時間的係統時間統一服務係統一一給各個部位提供高精度的時間信號,以保證發射成功。據說,美國發射的第二艘載人飛行的“水星”號飛船,在返回地麵前,由於飛船姿態控製係統出了毛病,宇航員改用手動控製,這樣使製動火箭的點火時間稍晚了一些,結果飛船就離開正常軌道20幾度,偏離預定著陸點近500千米,險些釀成危險。

比這更短的時間測量,發生在神奇的核物理學領域。物理學家發現,亞原子(比原子更小)微粒的運動速度接近光速,其壽命特別短,隻有幾億分一秒。有位德國科學家說他發現了第109號新元素。這種新元素(尚未命名)的壽命隻有5億分之一秒。可以設想,如果沒有高精度的原子鍾,人們便難以研究物質的微觀變化特性,也不會有新元素的發現。

科學家們還預言,某些介子的壽命比這還短。這大概是人類近期內將要遇到的最短的時間測量。