“时间”对话（续1）

“时间”对话一年之后，因为有了新信息，又开始了新一轮对话。

草：

看下面的文章。你们是否可以休息了？

世界最精确时钟：160亿年误差1秒
日本东京大学在10日发表道，其研究小组与日本理化学研究所合作，开发出精确度极高的光晶格钟，160亿年才产生1秒误差。这是在实验中确认的迄今世界最高精确度。

也许你并不在意1秒的时间，也不认为减少误差会对平时生活产生多么巨大的影响。而实际，对普通人而言，一秒钟的差异可以影响到证券交易、汇率变动等；而对于航天、电子通信、全球定位系统等领域而言，即使几十亿分之一秒的误差也可能导致重大问题。

光晶格钟是一种原子钟，世界各国都在大力进行研究。所谓原子钟就是以原子中电子的振动为振子的时钟，如果振动的频率在光波段，时钟就称为光钟，光晶格钟是光钟的一种。

现在，秒的定义是根据铯原子的电磁波周期数来决定，每3000万年有1秒误差。东京大学研究生院工学系教授香取秀俊率领的研究小组，选择了比铯原子能更精密测量时间的锶原子进行实验。

此前，由于封闭原子的外壁释放电磁波会影响原子固有振动数，使振动数无法保持一致，这成为提高光晶格钟精确度的最大难点。

研究小组注意到，在低温环境下，原子不易受电磁波影响，为此开发出能在零下170摄氏度环境工作的光晶格钟，最终实现了160亿年才有1秒误差。目前，国际计量委员会正讨论给1秒制定新定义，此次研究成果有可能对讨论结果产生影响。

目前研究小组正研究如何实现光晶格钟的小型化，从而便于搬运和使用。相关论文已刊登在新一期《自然·光子学》上。

李：

谢谢你的邮件。我们一直在共同研究，去年秋天他得到了“紫綬褒章受章”。

20日我们去开庆祝会，日本在推他拿诺贝尔奖。我们所主要是实现和运营，课题越火得钱越多。

草：

8月下旬去北海道，那边已经凉快了，夏天不热就不够劲了。
问你个问题，东京大学新做出来的原子钟是什么东西？有文章发表吗？有的话介绍给我看看。
另外，你知道现在实验中所用的误差最小的测定时间的装置是什么吗？最小误差是多少？

李：

东京大学原子钟（光钟）是由香取秀俊教授组做的。

http://www.amo.t.u-tokyo.ac.jp/index.html上面有他们的论文。

不是测定时间是测定频率，过去测微波用频谱仪（~ GHz），现在测光频用光梳（Optical comb）。

因为用的是光频( ~ THz)，所以误差在10^(-18)精度时只需1mHz的精度,这是容易测定的。

草：

这种原子钟可以用在实际试验中测定时间，代替时钟吗？

李：

实际上这不是我们用的时钟，是高标准钟。

就好像一公斤的重量元器是放在巴黎BIPM恒温真空室内的。我们用的是校正过了的天平称砣。

一个钟系统要数亿日元，以及专业人员操作。

有了这个钟，我们的标准时间可以和它校对。得出误差再进行修正。有时间的话你可以来我所参观一下啊！

草：

你看看下面这篇文章。前半是我在网上看到的一篇文章，中间是我写的，最后是跟贴和我的答复。
我不是学物理的，得在你这补补课。你判断一下，我写的内容和跟贴及我的答复有什么问题。把问题的答案告诉我。如果能写得详细，我就直接贴上去。
另外，你看看最后推荐的那篇文章。我在家里，看不到完整的文章，没搞清作者想说什么，似乎是Sr钟，和东大的研究相同？
家里的hotmail不好用。
我明天休息。

评“50年物理难题盖棺定论 爱因斯坦错了”

2015年8月31日的奥创智能网有文，
“虽然爱因斯坦是量子理论的始作俑者，可他本人一生都不愿接受量子力学的怪诞结论。他说过一句很有名的话“上帝是不投骰子的”，旨在否定量子力学对物理世界概率性的描述。尽管爱因斯坦已经去世60年，但他给后人留下的争论一直是科学界的热门话题。然而，几天前由荷兰物理学家发布的实验结果终于表明，爱因斯坦错了。
从量子力学诞生开始，争论就没有停止过。尽管以丹麦物理学家波尔为代表的“哥本哈根学派”认为量子力学是完备且自圆其说的，爱因斯坦等物理学家却始终坚持量子力学不是最终理论。爱因斯坦认为，物理世界的主宰是传统的机械决定论，而非概率。两派长期针锋相对，唇枪舌战，他们争论的焦点落在了“量子纠缠”(quantum entanglement)上，而量子纠缠直接挑战了经典物理学的定域性描述。比如，两个朝相反方向运动的光子，只要不受干扰，无论相距多远都可以在瞬间传递信息。打个比方，即使牛郎和织女分居在银河两头，彼此心映即刻完成，无需时间。
爱因斯坦难以接受这样的结论，因为按照他提出的相对论，信号传递的最快速度是光速，两个相距甚远的物体是不可能在瞬间交换信息的。也就是说，如果银河系有10万光年大，那么牛郎的呼唤需要10万年后才能被织女知道，绝不是发生于顷刻之间事情。爱因斯坦为此还提出了著名的“隐变量理论”，将量子力学不能给出确定结果的概率问题，归咎于人们对某种尚未发现的“隐变量”的无知。他认为，那两个彼此背离而行的光子，一定是具有某种内在的机制，决定了它们之后的行为，只不过人们不知道罢了。也就是说，牛郎和织女在每年分手的时候都要约定好，在日后的某个时刻彼此互相思念，只是这样的约定还没有被王母娘娘发现而已。
简而言之，如果爱因斯坦是对的，那么人们依然可以按照传统的科学理念去理解世界。如果哥本哈根学派是对的，那么人们就不得不推翻许多根深蒂固的观念，重新去审视我们的世界。人们也不得不承认，真实的世界和我们通过感官所接触、所看到的世界在本质上是完全不同的。在当时，许多人都认为这样的争论不会有结果，因为这已然超越了科学范畴，上升为一个哲学问题。
可转机出现在上世纪60年代中叶，当时爱因斯坦已经去世10年。欧洲核子研究组织(CERN)的约翰·贝尔(John Bell)在赴美国访问期间，发表了著名的论文，将这一看似抽象的哲学问题简化为一个清晰的数学不等式，它被人们称为“贝尔不等式”。贝尔不等式其实是说，如果爱因斯坦提出的隐变量存在的话，那么在特定的实验条件下，实验结果(大量独立重复实验的统计概率)就会被限制在一个范围之内。一旦实验测量超出该范围，即贝尔不等式不成立的话，那么爱因斯坦就是错的，隐变量理论也就不正确。由于贝尔不等式可以直接付诸实验观测，爱因斯坦与哥本哈根学派之间的争论不再具有形而上的神秘色彩。取而代之的是，人们开始热衷于贝尔不等式的实验观测。
然而实验测量并不简单。在过去的50年里，人们提出了不计其数的实验方案，但每一个方案都有漏洞。所以，尽管许多实验得到了违反贝尔不等式的结果，但由于漏洞的存在也无法在逻辑上直接证明贝尔不等式不成立。令人振奋的是，最近由荷兰代尔夫特科技大学的Ronald Hanson领导的科研团队，终于实现了没有漏洞的实验观测，50年来第一次无懈可击地直接证明了贝尔不等式不成立。
Hanson团队的实验设计十分巧妙。他们在相距1.28千米的两个实验室里，分别用微波去激发处于极低温的钻石里的电子。当电子被激发出来时，它们同时也放出与自身相纠缠的光子。两边的光子通过光纤传送到位于两实验室之间的另一个探测地点，这里精确记录着光子到达的时间。如果两边发射过来的光子同时到达并以特定方式干涉，那么两个光子就会立即将自己所“代表”的电子纠缠起来，实现远程的量子纠缠。这好比远隔10万光年的牛郎和织女各派一个天使在鹊桥相会，如果两个天使同时到达并正确表达了主人的意思，那么牛郎和织女就实现了远程的“约会”。
由于两边的实验室在同时测量电子的自旋，一旦两个电子实现了远程的量子纠缠，仪器就会记录它们自旋在不同方向出现的频率。大量观测数据的统计结果显示，贝尔不等式的确不成立。该实验唯一不尽人意之处，在于两边的光子精确同时到达的成功率很低，大约1.5亿个光子对中才能有一对光子成功干涉并实现电子的远程纠缠。因此，该实验一共進行了22个多小时，却只得到245次有效数据。不过，该团队目前正在努力改進，以期提高效率。
他们的实验结果刚刚出炉，尚未来得及发表于正式期刊上，但已经得到物理学界的普遍关注。“这是量子物理学一项里程碑式的文章”，澳大利亚格里菲斯大学的Howard Wiseman评价道，尽管他本人没有参与这项实验。工作于悉尼大学的物理学家Christopher Ferrie认为该实验将有深远影响，他说“物理世界和人们日常直觉上看到的世界有着深刻的不同，人们将对此不再有任何的怀疑”。维也纳大学的Anton Zeilinger领导着一个与荷兰Hanson相竞争的科研团队，当他看到Hanson这项举世瞩目的成果时不禁说道“这是一个非常漂亮的实验，除了要祝贺他们的团队以外没有别的了。”他还说，如果爱因斯坦活着的话，他一定会对此印象深刻。”

黑体字是我加上去的。
首先假定奥创智能网不是在忽悠，假定Ronald Hanson领导的科研团队也不是故意科技造假。
先看两条网友评论：
１、“然而实验测量并不简单。在过去的50年里，人们提出了不计其数的实验方案，但每一个方案都有漏洞。所以，尽管许多实验得到了违反贝尔不等式的结果，但由于漏洞的存在也无法在逻辑上直接证明贝尔不等式不成立。”这些实验大部分在发表的时候也和这次的实验一样以为自己这次没有漏洞了。可是过不了多久就给别人发现了漏洞。估计不出三个月就会有人挑战这个实验。看来物理学家很可能错过了一些非常基本的东西，得到了一些离奇的结论，想用实验来证明这些结论，无论如何努力总是只差一点点。”
２、“怎么这些物理学家都变成上帝了，能“无论相距多远都可以在瞬间传递信息，无需时间”？经过几百年之后，这条“无需时间”又被证明是错了。有趣!”

信息是否能够不计距离瞬间传递，到现在为止没有试验结果支持，所以不能说行，也不能说不行－－因为有那么多的物理学家说“行”。
看看文章里的这个试验结果能否被认可。
我以为仅就文章所述这个实验有两个漏洞。
其一：
爱因斯坦说上帝不掷骰子，是要表明不能依赖一、两次物理实验成功结果就确认这个实验是可行的，结果是存在的，也就是说物理不承认小几率的发生能成为规律。
（这和生命领域不一样，在物种演变中，一个小几率的进化就有可能演生出一个新物种。）
如果根据一、两次成功的结果就能断定这个结果是存在的，2014年日本的小保方晴子在她自己所做的验证STAP细胞的实验中也发现了几个疑似STAP细胞的东西，STAP细胞也应该被承认存在，不过连日本科技界都不认可这个结果。
根据文章所述，Ronald Hanson团队的成功率是1.5亿分之一。如果在普通物理实验中，这么小的成功几率会被视为这个实验没有结果。做了1.5亿次实验，只有一次出现了期待的结果，能说明什么问题？
其二：
爱因斯坦的相对论提出信号传递的最快速度是光速。
在Hanson团队的实验中，两个实验室相距1.28千米，探测光子的地点位于两个实验室之间。光的速度是30万千米。如果信息确能瞬间传递，两个实验室的两个电子应该在相同时间实现远程的量子纠缠，那么所用的是两个什么样的计时器，其误差在30万分之一秒内？
这个坛子里有几位物理大侠。大侠们如果感兴趣，请现身指教。

文章评论
作者：luckyhsif 留言时间：2015-09-02 12:52:32
博主可能对科学尤其是物理不太了解，所以才会有这些比较不着边际的评论。

首先关于时钟的精度。现在最精确的时钟误差已经达到4.5x10**－15 （15亿年误差一秒）。最快的照相机每秒可以拍4万4千亿张照片。这些都远远地超越三十万分之一秒的精度。

其次关于实验中“成功率是1.5亿分之一”。两个实验室各自激发出的电子，同时到达测试点，并“撞”在一起发生干涉效应，算一次“有效的”或“成功的”实验。这如同在桌面上滚动两个钢球使它们碰撞来检测力学原理一样，撞上了才有效。显然，百分之一百的成功率或1.5亿分之一的成功率对于要证明的物理理论是没有关系的。“有效的”的实验本身才有关系。

作者：芨芨草 留言时间：2015-09-02 16:18:27
luckyhsif好！终于等来了一位物理大牛，欢迎欢迎！

就这两个漏洞和luckyhsif商榷：

１，luckyhsif说的是时间测定的精度，也就是标准时间吧？现在的国际标准时间是以铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间為１秒，也就是铯原子钟。听说日本的东京大学研究出了比铯原子钟精度还要高的东西。不过铯原子钟的误差（１个周期）也只有１０＾－１０秒。

luckyhsif说的误差为１０＾－１５秒的时钟是什么时钟？

另外，标准钟应该只有一个吧？如果有两个以上，怎么能让这些标准钟同步呢？

luckyhsif说的误差为１０＾－１５秒的时钟是标准钟吧？做试验时不会用标准钟做计时工具吧？而且如上所问，如果用两个标准钟，怎么让它们同步呢？

可以每秒拍4万4千亿张照片的照相机是什么样的照相机？不过时间测定和照相机应该没关系吧？因为这是在两地测量是否两个反应同时发生。如果用照相机测量，怎么判断让两个照相机在同一时间开始拍照？如果有这样的时钟，直接用时钟测定应该更简单吧？

另外，用照相机照不到电子的自旋吧？

２，luckyhsif举的两个钢球相撞的例子用在这篇文章里不太合适。Hanson团队的实验不是让两个电子相撞，是在两地各从一个电子里激发出一个光子，两个光子被引导到第三地，发生干涉，并将信息瞬间传回本主电子，改变电子的自旋状态。根据文章所述，试验中每秒用激光做约４６万次激发。因为两边的两个光子同时精确到达的成功率很低，怎么确认自旋状态改变的电子是受从它自身放出的光子的影响，而不是受其它光子的干扰呢？

luckyhsif的两个钢球相撞的例子适用于在高能加速器里让两束被加速的相向运动的粒子相撞的实验。不是每个粒子都能被相撞，但只要有两个粒子相撞，就能测量出相撞后的产物。

我不是这个领域的专家，但也不是来“打酱油”，是真心想了解这方面的知识，因为正如文章所述，如果“信息瞬间传递”能够成立，则我们能感受到的世界和实际世界会有很大不同。希望luckyhsif不吝赐教。

作者：luckyhsif 留言时间：2015-09-02 19:59:08
首先申明我不是搞物理的。只是这个实验简单明了，我以为我可以理解。

1，时钟问题。显然1.28千米的距离产生的时间差，已经达到实验团队测量时间的精度，不然可以把距离搞得更长。这里估计也不需要世界最高水平的时钟。因为测量点和两个发射点是等距的，两个发射点的时钟独立地和测量点时钟同步就可以了，考虑到它们的误差可以互相抵消，时钟本身的精度就可以更放宽了。

2，估计博主已经理解了“成功率是1.5亿分之一”只不过是说发射1.5亿对光子才能有一对能够同时到达并发生干涉效应。试验中每秒用激光做约４６万次激发，平均差不多一个小时才会产生一次有效的实验。这个设置显然保证每一次激发都能够被单独地测量和核实，不然可以把频率放慢一些。其实相对于时钟的精度，这个速度已经够慢了。

3，电子如果被其它粒子作用而改变状态，是可以被检测到的，这是原子物理实验最起码的要求吧。

这些都是我的粗略理解，专业的人士会给出更好的解答。

作者：luckyhsif 留言时间：2015-09-02 20:10:58
我用滚钢球的实验来说明所谓的“实验成功率”。博主可以试一下，左手和右手向外张开，各自往桌面上滚一个钢球，然后告诉读者平均滚多少次才有一次碰撞发生？相信不会需要1.5亿次！

作者：luckyhsif 留言时间：2015-09-02 21:54:02
我刚刚做了实验。在球桌上两个角上同时滚出乒乓球13次,它们相碰的有4次。如果我有足够的测量设备,我就可以用测量到的碰撞数据来验证动力学理论。没有发生碰撞的另外９次和实验的可信度没有任何关系。

所以博主评论中说“根据文章所述，Ronald Hanson团队的成功率是1.5亿分之一。如果在普通物理实验中，这么小的成功几率会被视为这个实验没有结果。做了1.5亿次实验，只有一次出现了期待的结果，能说明什么问题？”是不明所以的问题。

原文说纪录了２４５次有效数据。我觉得这个实验显然可以重复做的，就像我可以重复滚乒乓球一样。

另外，这是新近的精确时钟报道，http://www.vox.com/2015/4/22/8468781/atomic-clock

（在整理上述文章时我发现luckyhsif同学犯了一个原则性的错误：在桌上滚乒乓球是宏观世界的现象，宏观世界里观察到的现象不能用来解释微观世界的事情。其实问题是，极小概率的事件可否被认为是有规律的事件？引力波只被发现了几次，不过引力波已经被承认存在了。）