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導讀
從宇宙誕生到現在，誤差不超過1秒，冷原子鐘是什麼神器？
本文是2020年11月29日觀視訊“答案”年終秀圓桌論壇“凝望地球——從宇宙的角度回望中國與世界”的嘉賓對話文稿系列第四集。 第一集見《中國晶片沒有用？并不！一半政府機關已經用上了 | 科技袁人》 第二集見《美國：中國太小搞不了載人航天 中國：專治不服 | 科技袁人》 第三集見《如何觀測宇宙誕生前的宇宙？或許得靠量子力學 | 科技袁人》 視訊連結：西瓜視訊：https://www.ixigua.com/6914173192080720388本視訊釋出于2021年1月5日，播放量已超四百萬
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【第四集】
林寶軍（中國科學院微小衛星創新研究院副院長、北鬥三号衛星總設計師）：另外正好兩位科學家在我還有一個問題其實也一直困惑，我們也許帶着大家隻要學過實體的人可能都知道，一般我們在熱力學定律的時候，有個是熵增定理。
什麼意思？就是孤立系統的熵是隻能增加不能減少，但是我認為宇宙的現象很神奇，其實宇宙包括他們講的星系等等，越來越有規律，天體是有規律的運轉。比如說這幾個行星繞着太陽轉等等，我認為這個過程其實從無序到有序的過程。 無序到有序是什麼概念？就是熵減的過程才是無序。熵增的意思就是從有序變成無序，自然界又變成了熵減的過程，這跟熱力學那些定律到底怎麼解釋？二位能不能給我解釋一下？ 袁岚峰（《科技袁人》主講人、中國科學技術大學副研究員）：我倒是有個一句話解釋，就是說在宇宙這個尺度上，熱學第二定律肯定還是成立的，實際上它熵還是在增大的，但是因為有人在膨脹，是以它整個體系能夠包含的熵是在飛快的增大，是以它能夠容納的熵也越來越大，是以我們并沒有違反熱力學第二定律，實際上我們是在局部出現有序現象，但是在整體上它的熵還是變得更大了。
林寶軍：是局部熵減，但整體還是熵增的。 袁岚峰：是的是的。 林寶軍：解釋得了。 袁岚峰：而且有一個跟非常相關的人是普裡高津，他是一個諾貝爾化學獎的得主，他提出了耗散理論，耗散結構理論。實際上他也是我們昨天出場那位陳平老師的博士導師。陳平他是跟着普裡高津去學了耗散結構理論，但是不去研究化學而去研究的經濟學，它變成一個經濟學家。但是這個耗散結構理論就是說如果一個系統是遠離平衡态離得足夠遠，它就有可能自發地産生一些有序結構，但它自己是變得更有序了，但那個代價就是環境變得更無序了，然後整體的熵還是增加了。
但是這個理論的好處就在于你可以解釋世界上為什麼會自發的出現一些有序的結果。最典型的就是生命了，演化的演化就最後居然演化出生命，但是我們生命是以消耗更大範圍的負熵為代價的，是以整體的熵還是增加的。
蔡一夫（中國科學技術大學天文學系教授）：其實說在我們宇宙的演化結構，也是在我的演講裡面也是一句話的一筆帶過了，我們為什麼會看到這些紅紅藍藍的這些斑點？
我不知道在座的觀衆們有沒有人知道這個原因，或者說他給我們今天的宇宙帶來了什麼樣子的效應？有沒有人知道？ 我們知道我們的宇宙有打比方我們銀河系有上千億顆恒星是吧？然後我們宇宙中可能有上千億個像我們這樣的銀河系的這種星系，這大概是這麼一個估算的規模。 是以可以想象一下，我們宇宙中充滿着各種各樣的這種結構，這些就是星系的這些結構，而這一結構大家很自然的會去問一個問題，它是怎麼來的，它從哪裡來？ 那麼我會告訴你們，這些星系的結構最早就會追溯到這一張紅紅藍藍的這些照片上的這些斑點，因為這就是這麼一丢丢的溫差，我會告訴大家這溫差是多大，今天的宇宙的溫度平均的溫度是2.725開爾文，大概是冰是273開爾文，對吧？也就是冰點下面大概是-270度，大概是這麼一個溫度，是我們的宇宙的平均溫度。 在平均溫度的上面，大約有10^(-5) 到10^(-6) 開爾文的溫差，這個就是宇宙微波背景輻射所看到的溫差。雖然說溫差比起它的背景是小數點後5~6位了，但是就這麼一定這麼一丁點的這種5~6位的這種差距，最終的就誘生了我們今天所看到的這些結構的生成。 是以我們的确在一些局部範圍，比如說像銀河系它的形成它有大概是4個懸臂是吧？我們生活在獵戶臂是吧？然後恰好又生長出來了一個其實在太陽系這樣子的星系在獵戶臂當中也是比比皆是了。正好有那麼一個太陽系生成了，然後太陽系它太陽它又不是特别熱，也不是特别涼是吧？于是在這個地方又形成了一些行星的系統，其中有那麼一個行星，它也不是那麼遠，也不是那麼近，恰好就是我們的地球，而在地球上恰好就有這麼一些智慧生命的誕生，就是自己就是我們人類。
我們可能生活在一個四旋臂的旋渦星系（銀河系）中，它具有一個明亮且對稱的中心棒。| 圖檔來源：XING-WU ZHENG AND MARK REID Bar and Spiral Structure Legacy Survey/Nanjing University/ Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian (Milky Way chart and illustration)
銀河系結構圖：利用多台射電望遠鏡，天文學家對銀河系進行了數千小時的觀測，測量了一些天體結構之間的距離。圖是有史以來最好的銀河系結構鳥瞰圖。資料展示了圍繞銀河系中心的四個主要的旋臂結構。我們的太陽（天文學家将其視為四象限測繪坐标的中心）會圍繞銀河系運轉，環繞一周大概需要2.12億年。靠近太陽軌道的地方，有一條較小的旋臂（藍色）。未來，使用南半球上的射電望遠鏡開展的研究可能會揭示出第四象限中大部分目前未直接觀測到的其他結構。|制圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley）
這是一個高度無序到有序的一個形成過程。但是大家可以想象這麼一個過程的背後的代價是由大量的那麼多無用的太陽系或者是恒星系的這種誕生所換來的代價。 林寶軍：你剛才說到接近絕對零度，我再跟大家講一個故事。其實要達到絕對零度有很多辦法，其實我們科學家想了一個辦法是什麼呢？用雷射組成一個網，其實溫度是什麼，溫度表征分子熱運動的狀态，讓分子聚到這堆裡讓它動不了，隻要碰到這個雷射就彈回去之後，它就在這個圈裡，就利用這個原理就接近了絕對零度，我們現在就利用接近零度這個狀态，我們制造了冷原子鐘，這個冷原子鐘比我今天講的氫原子鐘精度還要好，好的而且很多。在這種原理我們在天宮二号上已經上了天，取得了很好的結果。 我高興地告訴大家，我們明年要打到北鬥衛星上，我就要把這個雷射冷原子鐘也上去，這個上去能好到哪呢？原來我說的铷鐘，因為它漂移比較差，它不但長（期）穩（定）比較差，漂移比較差，大概我們1個小時，1~2個小時就得注入一次。但我們氫鐘比它好一兩個量級，它一兩個小時注一次，我1~2天注一次就行。這個雷射冷原子鐘現在可以到什麼程度呢？30年我注一次資料的結果，就和我這1~2個小時注一次的結果差不多，是以說我這個打上去之後，把時間校一次之後，它就不用再動，這個時間就是一個絕對很準确的時間了，是以說我們的時間又能跨的一步。是以我們在制高點技術上來講，也許在不遠的明年我們又能跨一個大的台階，是以說就剛才說的接近絕對零度這種東西，我又給大家講一個故事就是說，其實作在很多的自然現象我們都可以利用為人類服務。
袁岚峰：我可以最後來注釋一下，李老師剛才提到冷原子鐘這個事情，實際上在這方面中國現在是最先進的，而且我們不久就要發射一個，就是用在我們北鬥系統上，它會達到精度是從宇宙誕生到現在就是138億年的時間誤差不超過一秒，這是現在人類最先進的一個鐘，這個就是用量子精密測量技術打造的。 是以就當你把量子力學用過來，就會産生這樣的效果。還有剛才蔡老師說到銀河系有4條懸臂，大家覺得這個知識是什麼時候發現的？其實是今年（2020年），是幾個月之前，剛剛公布了是中國跟美國的一群科學家在合作發現的。是以你看，看起來一個好像非常初級的知識，實際上也是我們在最近才剛剛發現的，可見我們正身處在科技進步的大潮當中。
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背景簡介：袁岚峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，“科技袁人”節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物，微網誌@中科大胡不歸，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
責任編輯：祝陽