量子时钟破解时间之谜

　　西班牙《趣味》月刊2023年2月号刊登题为《时间之谜与量子时钟》的文章，作者是西班牙天体物理学家米格尔·安赫尔·萨瓦德尔。内容编译如下：
　　德国作家迈克尔·恩德明确表示：＂这个世界有一个巨大的谜团，但它又极其通俗。我们都是它的一部分。我们都意识到它，但很少人会去思考它。我们大多数人接受它，却不去对它探究一番。这个秘密就是时间。＂
　　时空概念难以捉摸
　　虽然听上去像是谎话，但我们确实没有测量时间长短的仪器。我们用运动去测量，正如我们测量温度是通过间接方式——物体热胀冷缩的原理。总之，不存在＂时间量尺＂。话虽如此，时间的概念倒是不言自明。我们每天都在手表和日历上感知时间的流逝。但对待时间，我们无法将它放在显微镜下观察，更不能拿它开展实验。
　　我们用事物的变化去表达时间，而时间与另外一个同样难以捉摸的概念——空间有着紧密联系。空间与时间诞生于宇宙大爆炸，在此之前不存在任何事物。芬兰赫尔辛基大学宇宙学家卡里·恩奎斯特说：＂时间的概念始于大爆炸，这就好比对纬度的测量从北极点开始。没人能去得了比北极点更北的地方。＂
　　时间是物理学的根基，而描述运动是这门学科的任务之一。牛顿第一定律称，一个物体在没有外力的作用下会作匀速直线运动，也就是说，在同样的时间经过同样的距离。这个匀速是相对于哪个时钟来说的？如果没有绝对时间，我们就会遇到大问题。
　　牛顿所提出的运动定律断言存在绝对时间，由此解决了这个问题。这与他同时代的笛卡尔和莱布尼茨的定义不同，他们认为时间只是事物与世界真实过程之间的一种关系。爱因斯坦终结了长达多个世纪的绝对时间观。1905年，他向我们揭示，时间的流逝取决于观察者的速度。这就是他的第一条训喻：所有运动着的时钟，无论是机械的、电子的、原子的还是生物的，相对于那些保持静止的时钟都会变慢。
　　为了便于理解牛顿的绝对、预先存在的时间观与莱布尼茨的想法之间的争论，宇宙学家斯莫林作了如下设想：将宇宙看作是弹奏弦乐四重奏的舞台。在舞台一角，有一个节拍器有节奏地发出＂滴答＂声，这就代表了牛顿的绝对时间观。乐手进场，开始演奏。这种生发于乐声、生发于所弹奏音符的时间，是真实时间的影子，是节拍器绝对时间的影子，是牛顿时间的影子。乐手听的不是节拍器，而是各乐器相交汇的乐声，并构建出当时当地所特有的时间。对于莱布尼茨来说，节拍器才是一种幻想，它蒙蔽我们真正发生的事情。只存在一种时间，那就是乐手们的时间。
　　测量系统存在瑕疵
　　现在，否认这种绝对时间的存在迫使学界找到牛顿定律的替代品。爱因斯坦的广义相对论做到了。矛盾的是，它是通过在该理论的基本方程中消除对时间的任何提及来做到这一点的。斯莫林说：＂结果就是我们无法笼统或抽象地谈论时间；我们要想描述宇宙的变化，首先得准确告知理论方程哪些真实的物理过程将被用作测量时间流逝的时钟。＂
　　一切都明晰了吗？未必。所以我们可以务实一点，姑且说时间就是钟表上的刻度。问题在于，任何物理系统都存在瑕疵。如果把最完美的两块钟表校准成同一时间再走，最终还是会分出个快慢。哪块钟表更准？而且，我们口中的走时快或慢到底想表达什么意思？这里我们假设了一种类似于绝对时间的东西，但是，如果没有精确测量时间的手段，又如何能说明它存在呢？
　　如果说以上这些已经让人足够头痛，那么量子理论还能大大增加痛楚。首先，在亚原子世界，不存在类似完美钟表的东西：所有可能的时钟都受制于所谓的量子不确定性，这使得钟表走时变得不可预测（甚至还会倒退）。换句话说，在量子尺度上，时间缺乏意义。早在这一理论发展初期，物理学家沃尔夫冈·保利就证明任何量子系统都不可能拥有可观察（也就是可测量）的时间。往复杂了说，伊戈尔·皮科夫斯基等物理学家在2019年发表的一篇论文指出，量子时间处于一种叠加态，过去、现在、将来融为一体，因果颠倒，区分不出因与果。
　　尽管存在如上悖论和特性，物理学家还是运用量子理论构建出精度越来越高的时钟：原子时钟。它具有一组处于特定能级的原子（通常是铯），并用特定频率的微波辐射进行轰击，使其吸收辐射并跃迁至更高能级（激发态）。如果微波频率越接近能级跃迁所对应的频率，那么就会有越多原子进入激发态。而正是当这种情况发生时，我们就能确切知道所用微波的频率。因为频率被定义为周期的倒数，我们可以用它来测量所经过的时间。从本质上讲，这也是摆钟的工作原理。话虽如此，二者的精度可没有可比性：原子时钟每经过1亿年才有1秒钟的误差。
　　量子时钟横空出世
　　但在2010年，一种新型时钟——量子逻辑时钟横空出世。它并不是测量一组原子的能级变化，而是只测量一个铝原子，它被牵制在被称为电磁离子阱的空间内。这个时钟的精度比当今定义标准时间的原子时钟高出近40倍。该量子逻辑时钟每经过36.8亿年才有1秒钟的误差，而2019年的改进版所具有的精度则更加令人震惊：每经过337亿年才有1秒钟的误差。
　　毕竟量子理论还在不断刷新我们的认知。2022年11月，由爱沙尼亚塔尔图大学物理学家玛尔塔·贝霍尔茨牵头的科学团队发现了一种无需使用参考时间（时间零点）或重复模式的时钟。为了便于理解，我们先看看普通时钟是如何运转的。标记时间的（＂滴答＂声）是一种具有机械（振动）或电子原理（电学振荡）的重复现象，并对应某块钟表可以测量的最小时间单位。我们如何计算时间的流逝？通过计算指针所发出＂滴答＂声的重复次数。接下来我们看看尺子如何测量长度。显然，使用起来是不一样的，我们没有必要计算一点到另一点经过了多少毫米：光看刻度就行。其实，量子时钟就是这样的。它所做的就是告诉你现在是什么时间，但不会让你数出经过了多长时间。贝霍尔茨解释说：＂量子时钟提供的是一种代表特定时间的‘指纹’。＂换句话说，它不能当作秒表使用；而更像是你戴在手上的腕表，你时不时抬起手看看现在是几时几分。
　　这是通过研究一个由氦原子组成的量子系统在非常特殊的能量状态下演变来实现的，这个状态又被称为里德伯态。这是一种激发态，氦原子中的电子占据着离惯常位置远得多的地方（轨道）。量子时钟之所以能用来看时间，是因为它能告诉你氦原子在里德伯态下持续了多长时间。
　　论文作者之一、瑞典乌普萨拉大学的约翰·瑟德斯特伦说：＂这只是观察时间的一种新方式，不会取代原子时钟。＂而它的新颖之处就在于此：我们第一次拥有无需＂滴答＂声计数器的钟表，也就是说，它是真正意义上的量子时钟。时间会告诉我们它的用武之地。