Por lo tanto, no es sorprendente que desde la antigüedad, personas de todo el mundo hayan comenzado a rastrear el tiempo, medirlo, registrarlo y establecer escalas de tiempo.
Las escalas de tiempo confiables deben basarse en eventos periódicos repetibles.
En la antigüedad, el ciclo más fácilmente observable era el día y la noche (la rotación de la tierra), por lo que en segundo lugar está el "cielo", el creciente y menguante de la luna (la revolución de la luna); ), entonces hay "mes"; y alternancia cíclica climática (la revolución de la tierra), entonces hay años, estaciones, términos solares...
Sobre esta base, cuando la sociedad necesita menos tiempo escala, lentamente miramos una taza de té, una mecha y luego evolucionamos hasta convertirnos en herramientas habituales de cronometraje, como ollas de cobre que gotean, péndulos, engranajes de palanca, etc.
En la sociedad primitiva, esa escala de tiempo era suficiente para escenas de la vida como la agricultura y el transporte. Sin embargo, con el desarrollo de la civilización humana, la escala de estos métodos de sincronización no es lo suficientemente precisa ni alta, y son fácilmente perturbados por factores externos e inestables.
Hoy en día, el ritmo de la sociedad humana ya no se basa en fenómenos e instrumentos macroscópicos, sino en partículas microscópicas.
Por ejemplo, el reloj utilizado para probar la teoría de la relatividad de Einstein en la década de 1940 no era el reloj mecánico/electrónico de nuestros hogares, sino que se basaba en la desintegración de muones. Debido a que la desintegración de partículas es un proceso aleatorio autónomo, la tasa de desintegración es fija y no se ve afectada por factores externos. Podemos rastrear el flujo de tiempo basándose en el proceso de desintegración de muones.
Más tarde, en 1971, los físicos cambiaron a un reloj atómico de cesio para verificarlo nuevamente.
¿Cuál es el principio del reloj atómico de cesio? Hoy en día, sabemos que los electrones en los átomos se encuentran en niveles de energía discontinuos (orbitales); cuando los electrones saltan de un nivel de energía a otro (es decir, transición electrónica), se liberan/absorben las ondas electromagnéticas correspondientes.
Cada átomo tiene su propia serie de frecuencias de ondas electromagnéticas, y la frecuencia del mismo átomo es fija. Por ejemplo, una de las frecuencias características de los átomos de cesio-133 es 9192.631.770 Hz (banda de microondas), que se puede observar en cualquier átomo de cesio-133; este se ha convertido en el metrónomo que hoy define los "segundos" a nivel internacional.
En 2001, basándose en principios similares y tecnología láser avanzada, los científicos desarrollaron un reloj atómico totalmente óptico sobre átomos de mercurio, también conocido como reloj óptico.
Debido a que la frecuencia característica de los átomos de cesio se encuentra principalmente en la banda de microondas, y el nuevo reloj atómico se basa en la radiación en la banda de frecuencia más alta, el reloj óptico puede proporcionar una escala de tiempo más fina. Si el reloj óptico más preciso del mundo ha estado funcionando desde BIGBANG, hasta el día de hoy sólo se desviará 0,5 segundos.
Como resultado, el Comité Asesor Internacional de Tiempo y Frecuencias propuso una hoja de ruta para revisar la definición de "segundo" en 2015. Una nueva ronda de definiciones de segundos basadas en relojes ópticos podría iniciarse alrededor de 2026.
Actualmente, oscilaciones atómicas similares son los eventos periódicos más estables que los científicos han observado, pero los relojes atómicos pueden ser más precisos.
En teoría, un reloj atómico podría mantener el tiempo mediante las oscilaciones de los átomos individuales. Pero a escala microscópica, un solo átomo está limitado por la incertidumbre de la mecánica cuántica, y su frecuencia de vibración "real" sólo puede reflejarse a través de una gran cantidad de mediciones y promedios, que es el llamado límite cuántico estándar.
Así, en funcionamiento real, los relojes atómicos generalmente miden miles de átomos similares y luego calculan el valor correcto. Sin embargo, incluso entre decenas de miles de átomos, todavía existe incertidumbre sobre el límite cuántico estándar, y en este momento, el entrelazamiento cuántico, que alguna vez preocupó a los científicos, cuenta con una ayuda divina.
Un estudio del Instituto Tecnológico de Massachusetts a finales del año pasado señaló que las oscilaciones de los átomos en entrelazamiento cuántico se ajustarán alrededor de una * * * misma frecuencia, que es menor que la de los átomos que no en entrelazamiento cuántico. Esto nos permite medir con una precisión que excede los límites cuánticos estándar.
En este nuevo reloj atómico, los científicos entrelazaron cuánticamente 350 átomos de iterbio. La precisión es cuatro veces mayor que la de la versión sin entrelazamiento cuántico. La desviación puede ser inferior a 0,1 segundos durante la larga vida del universo de 1,4. mil millones de años.
Desde el pasado hasta el presente, hemos seguido el tiempo de forma más cercana y minuciosa, no sólo sirviendo a la vida, sino también decodificando el universo; lo mismo ocurrirá en el futuro.
En la vida, la civilización humana cada vez más sofisticada, como muchos escenarios y posibilidades en la era 5G, puede apoyarse en un posicionamiento temporal y espacial más preciso.
En la investigación científica, los científicos pueden descubrir más leyes físicas sobre el tiempo que no pudieron detectarse en el pasado, como las ondas gravitacionales e incluso la materia oscura. También pueden reflexionar más sobre algunas cuestiones contraintuitivas y de las "tres visiones de la destrucción", como el impacto específico de la gravedad en el flujo del tiempo y si el tiempo mismo cambia a medida que el universo envejece.
Sin embargo, el camino hacia un mayor desarrollo no es interminable.
Un artículo en "Physical Reviews En teoría, un reloj ideal con un período perfecto quemaría energía infinita y produciría entropía infinita, pero esto es imposible en la realidad. En otras palabras, la precisión del reloj es fundamentalmente limitada.
Afortunadamente, hasta ahora, la mayoría de los relojes, incluidos los relojes atómicos más avanzados del mundo administrados por el Instituto JILA en Boulder, Colorado, no han alcanzado límites fundamentales relacionados con la cantidad de energía que queman. Mucho más que el mínimo. energía necesaria para decir la hora.
Sin embargo, el físico de JILA, Ye Jun, dijo que los fabricantes de relojes están acelerando el uso de la ciencia de la información cuántica para crear relojes más precisos, y las limitaciones básicas serán cada vez más importantes en el futuro.
2026 54 38+0 10 Del 20 al 24 de octubre, profesores y estudiantes del Gaoshan College visitarán Xi'an, el lugar de nacimiento de “Jingshi”, y explorarán con los científicos la naturaleza más familiar y desconocida de “Jingshi”. Jingshi”.
Autor|Qiu
Editor Zhu Zhen
¡Todos los que aman la ciencia están aquí!
Gracias. ※.
Un agradecimiento especial al profesor Gou Lijun, investigador del Observatorio Astronómico Nacional de la Academia de Ciencias de China, jefe del Equipo de Innovación e Investigación sobre Agujeros Negros Estelares del Observatorio Astronómico Nacional y editor ejecutivo de "Chinese Astronomical Journal" por su revisión profesional de este artículo.