(来源:央视一套)
提起量子力学,很多人的第一印象是神秘、高深、遥不可及,不少人对这门硬核科学充满好奇。很多人以为量子科技只存在于实验室的精密仪器中,但事实上,量子科技早已走出学术殿堂,落地于日常生活,比如一直陪伴我们的“时间”。
自古以来,人类从未停止对时间的丈量。古人依托日晷观测日影计时,近代确立“铯原子秒”作为全球统一时间基准。科学上的“1秒钟”究竟是如何精准测量的?近乎无限精准的标准时间,在航天、导航、基础物理研究中发挥着怎样不可替代的作用?《开讲啦》邀请中国科学技术大学教授、物理学院执行院长陈宇翱,深度解读量子力学与时间计量背后的科学奥秘。
“1秒钟”到底是多长?
“1秒钟”是多长?它的定义其实浓缩了人类认知世界的过程。在古代,人们通过观察日升月落,把一天分成12个时辰,后来又细化为24小时、1440分钟、86400秒,那时候的1秒是地球自转一周的1/86400。但随着科学进步,人们发现地球自转并不均匀,潮汐、地壳运动都会让这个“钟摆”忽快忽慢。
到了20世纪,科学家发现:原子在两个特定能级之间跃迁时,会对应一个频率极其稳定的信号。1967年的“铯原子秒”,用的是铯原子的一段微波信号——把它想象成钟摆,振动约92亿次就是1秒;我们的手机、导航系统里的时间,至今都以它为标准。陈宇翱介绍,如今的锶光钟更进一步:电子在能级间跃迁时直接发出频率高得多的光,“摆动”快了近10万倍,秒也就量得更准。
小知识
1967年,第十三届国际计量大会将“秒”定义为:
铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。
300亿年误差不到1秒的“钟”
长啥样?
“整个实验室,你都可以把它当成一个钟。”
当镜头跟随陈宇翱走进光晶格钟实验室,眼前的景象恐怕会颠覆所有人对“钟”的认知——没有表盘,没有指针,取而代之的是密密麻麻的激光器、真空腔体和光学元件。
陈宇翱打了个形象的比喻:家里的鸡蛋。
鸡蛋装在蛋托里,固定原子也要有“蛋托”。光晶格就是科学家用光编织在三维空间里的一个个“蛋托”。同时还有严格的三要素:
原子“蛋托”要处于真空环境;
冷却到接近绝对零度(约−273℃);
原子会受到6个方向的激光“看管”,如果它乱跑就会“挨踢”。
正是这样的极致操控,让原子变得“老实”,提供稳定的频率信号。
团队成功把光钟的稳定度和不确定度都推进到了10⁻¹⁹量级。陈宇翱说:“做个类比计算的话,大概就是300亿年也不会偏差1秒钟。”现在,团队正在推进光钟的小型化和工程化,希望它可以搭乘卫星,在远离地球噪声的环境里,探索更多基础的科学问题。
小知识
目前,国际计量大会计划在2030年正式实行新的秒定义。
中国光钟的突破,意味着我国已具备参与“重新定义1秒”的技术实力。
生活中 量子力学无处不在
陈宇翱给大家科普了量子力学真正的技术走向:量子保密通信“京沪干线”及国家骨干网已经覆盖了大约1万公里,为银行、金融机构等提供加密服务;量子计算的目标也不是取代电脑,而是解决天气预报、新材料设计、药物研发等经典计算机“算不动”的难题。而上面提到的“1秒钟”也会成为这些领域的助推器。
当被问到个人隐私能否被量子通信保护时,陈宇翱笑着说:“说不定已经被保护了,只是你还不知道。”陈宇翱表示,量子通信主打一个“善战者无赫赫之功”,希望有一天量子技术能保护互联网的每个比特,个人信息泄露、电诈等情况都不会出现,大家无感地享受信息安全。
天才少年的迷茫与选择
年少拿下物理国际奥林匹克竞赛金牌,众多顶尖名校同时向他抛来橄榄枝,头像被印在母校的作业本封面上……陈宇翱是专业领域内公认的天才,但他说自己在大学也曾一度陷入迷茫。直到一次和老师潘建伟深夜长谈4小时,窥见量子世界的无限,才重燃科研热情。
陈宇翱说,潘老师曾发给他的一条短信,内容他一直记在心里。2009年,陈宇翱正在德国深造,潘建伟院士在人民大会堂看完《复兴之路》后给他发消息,盼他早日学成归国效力。短短几句话,让陈宇翱满心激动,他用两年时间吃透了相关技术,如期归国,和潘老师共同打造出世界一流的量子光学实验室。
20世纪物理学巨匠理查德・费曼曾说:“没有任何一个人能够真正理解量子力学。”一边是大众源源不断的好奇,一边是各行各业的热切期盼,科研工作者该如何拨开迷雾,持续探索?7月4日(本周六)22:30档,中央广播电视总台CCTV-1综合频道《开讲啦》,带你解锁神奇又浪漫的量子世界。
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主编 | 史可鉴 魏雪莹
编辑 | 杨雨荞 孟夏兰