萬物之鐘

由狹漸廣 2020-06-08

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時鐘幫助我們計時，讓我們對時間有一種更直觀的認識。然而，在人類發(fā)明時鐘之前，自然、生物、細胞甚至原子，似乎早已經(jīng)各自發(fā)展出了自己的時鐘。

“宇宙之鐘”：宇宙觀

17世紀，曠世巨作《原理》問世，牛頓在書中寫道：

絕對的、真實的和數(shù)學(xué)的時間，由其特性決定，自身均勻地流逝。

牛頓認為，真實的時間以穩(wěn)定的速度流動著，這種流動指向未來，世界就是被一個“宇宙的主時鐘”主宰著。

隨著牛頓力學(xué)體系的建立，萬有引力定律不僅可以解釋地表物體的運動，也能解釋天體的運動。在啟蒙運動時期，在自然神論者中由此開始流行一種機械宇宙觀（clockwork universe）。他們將宇宙視為一個完美精確的機械鐘表，隨著鐘表運行，它的齒輪主導(dǎo)著物理定律，讓這臺機器的所有部分變得可以預(yù)測。

2009年，藝術(shù)家維爾瑞爾為澳大利亞國家科技館制作了一個巨大的掛件，代表機械宇宙觀的概念。| 圖片來源：OpheliaO / Wikicommons

牛頓的觀點似乎與我們的經(jīng)驗常識吻合，對每個人來說，時間的確好像是在流逝，且流逝的速度都是一樣的。但這一切在20世紀初被一位科學(xué)家改寫，他就是愛因斯坦。

為了用一種最直觀的辦法簡單介紹愛因斯坦的理論，我們可以借助科學(xué)家戴維斯（Adam Hart-Davis）講述過的一個思想小實驗來理解。想象一艘宇宙飛船，它的尾部放著一臺頻閃燈，每秒鐘閃爍10次。如果飛船是靜止的，那么燈發(fā)出的閃光也會以每秒10次的頻率到達飛船頭部。但是，如果我們讓這艘飛船在宇宙中加速飛行，尾部發(fā)出的閃光依然保持每秒10次，但是在相鄰的兩次閃光之間，飛船的速度會變快一些，所以閃光需要花費更長時間才能到達頭部，因此在頭部觀察到的閃光可能只有每秒9次，也就是說，閃光的頻次變慢了。

換句話說，當(dāng)飛船啟動后，在這個具有加速度的參考系中，對頭部的觀察者來說，尾部的時鐘就變慢了，這就是引力紅移帶來的影響。相反，如果把頻閃燈放在頭部，在加速度的作用下，船尾的觀察者則會覺得頭部的時鐘變快了，引力藍移效應(yīng)則發(fā)揮了作用。

這種引力頻移理論表明，時間在強引力場中會變慢。這種“時間膨脹”意味著，時間對不同觀測者來說是可能是不同的，時間的測量取決于觀察者的運動。唯一的例外是光速——對所有人而言，光速都是一樣的。

也就是說，“遺憾”的是，盡管牛頓獲得了輝煌的科學(xué)成就，但在這一點上，他錯了。愛因斯坦的理論說明，宇宙不可能像牛頓想象的那樣有一個“主時鐘”。

自然之鐘：定年

現(xiàn)在，讓我們回到地球上。我們的地球已經(jīng)存在了大約45億年，這是個極其大的數(shù)字，要知道，吉尼斯世界紀錄的人類最長壽命甚至沒有超過45億秒（大約144年）。但地質(zhì)學(xué)家卻知道45億年的地球年齡。

這要歸功于自然界中一類神奇的物質(zhì)，它們可以充當(dāng)一種特殊的“計時工具”，告訴我們地球（甚至一些太陽系歷史）的故事。

在自然界存在大量放射性原子，在這些原子的集合中，一定數(shù)量的原子會在一定的時間內(nèi)衰變。通過測量某種原子有多少被密封在了巖石或其他樣本中，并和其衰變產(chǎn)物進行對比，科學(xué)家就能知道這些巖石或手工制品樣本形成的時間。

對大多數(shù)巖石樣本來說，最受歡迎的方法包括鈾鉛定年法。鋯石是在火成巖中發(fā)現(xiàn)的硅酸鹽礦物，它們在晶體結(jié)構(gòu)中通常含有鈾的微小雜質(zhì)。鈾的兩種同位素具有不同的半衰期，23?U的半衰期約45億年，而23?U的半衰期則約7.04億年，這兩種同位素通過兩條獨立的途徑衰變，但它們最終都會變成鉛的穩(wěn)定同位素。這就帶來了非常高的精確度。鈾鉛定年法被人們普遍認為是定年的“黃金標準”。

對于沒有那么古老的巖石和史前人類手工品來說，還有其他同位素能提供可靠的結(jié)果。例如，人類工具在坦桑尼亞奧杜威峽谷的首次出現(xiàn)是在大約200萬年前，這個定年結(jié)果來自鉀衰變成氬的過程。

常見的一些定年方法及其適用對象和年代。| 圖片設(shè)計：雯雯；素材參考：New Scientist

此外，自大約6萬年前起的更為關(guān)鍵的人類和自然歷史，主要是用碳同位素的“語言”書寫的。這種方法為考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)、進化人類學(xué)、地球物理等諸多科學(xué)領(lǐng)域帶來了革命。放射碳定年法的奠基人利比（Willard Libby）也因此獲得了1960年諾貝爾化學(xué)獎。

自然界中有三種碳的同位素，絕大多數(shù)是12C，非常少量的是13C，還有非常非常微量的一部分是具有放射性的1?C，也被稱為放射性碳，它們的半衰期約5730年。這種碳的形成過程可以簡單理解成，極高能宇宙射線粒子撞擊大氣外層的原子核產(chǎn)生中子，中子再撞擊氮（1?N）的原子核生成。

1?C雖然非常微量，但同樣會參與到自然界的循環(huán)中。在動植物活著的時候，它們會通過呼吸、進食等方式不斷攝入碳元素，其中必然包含一定量的1?C。這些過程在生物死亡的那一刻也隨即停止，那么在它們體內(nèi)累積的1?C會繼續(xù)發(fā)生衰變。因此放射性碳定年就是對生物體內(nèi)1?C的殘留進行檢測，進而估算出生物死亡的時間。

但是，這種基本計算的前提是假設(shè)1?C在時空上是恒定的，但這顯然是理想化的，尤其是最近幾十年中，化石燃料的使用和核試驗等人為因素都極大地影響了1?C的含量。對不同地區(qū)來說，1?C的含量也有所差異。因此，研究人員會通過年輪等其他技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)對1?C的估算進行校正。

根據(jù)《自然》雜志的報道，就在今年，放射性碳測年的年代將會迎來最新一次的校正，研究人員計劃將在接下來的幾個月時間里在《放射性碳》期刊上發(fā)表最新的北半球、南半球和海洋樣本的校正曲線，這會更新許多研究發(fā)現(xiàn)的年代估計。雖然這次重新校正帶來的并非“天翻地覆”的改變，但對科學(xué)家來說，任何微調(diào)都不是小事。比如，根據(jù)最新校正的數(shù)據(jù)，來自西伯利亞的最古老的現(xiàn)代人類化石，可能比之前認為的要推后1000年。

生物之鐘：節(jié)律

地球上的生命需要不斷適應(yīng)地球環(huán)境。為了適應(yīng)地球自轉(zhuǎn)，幫助調(diào)節(jié)一天中的節(jié)奏規(guī)律，生物體內(nèi)發(fā)展出了一套獨有的“時鐘系統(tǒng)”，被稱為晝夜節(jié)律，也就是我們常說的“生物鐘”。

最早有關(guān)生物節(jié)律的著名實驗來自18世紀。當(dāng)時，天文學(xué)家邁蘭（Jean-Jacques d'Ortous de Mairan）注意到，含羞草的葉子在白天對著太陽打開，在黃昏則會合上。他想知道這是否是植物對陽光的反應(yīng)。他將含羞草放在暗室中，發(fā)現(xiàn)在沒有陽光的環(huán)境中，含羞草仍然保持著原來的“生活節(jié)奏”。

20世紀中葉，德國動物學(xué)家克默雷（Gustav Kramer）認為，不僅是植物，動物和人類都有一種內(nèi)在的生物鐘，幫助我們?yōu)橐惶斓牟▌幼龊蒙頊蕚?/span>。還有生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，鳥類約24小時的晝夜節(jié)律甚至能夠幫助它們導(dǎo)航。

對人類來說，我們的生物鐘精確地調(diào)控著我們的生理機能，比如行為、激素水平、睡眠、體溫和新陳代謝，讓我們能適應(yīng)一天中不同的時間段。當(dāng)外部環(huán)境和這種內(nèi)部時鐘出現(xiàn)了暫時的不匹配時，比如當(dāng)我們經(jīng)歷時差時，身體健康就會受到一定程度的影響。也有一些證據(jù)暗示，如果我們的生活方式和內(nèi)部時鐘出現(xiàn)長期的“不同步”，可能會影響相關(guān)疾病的風(fēng)險。

但我們體內(nèi)的生物鐘究竟是如何工作的仍然是個謎。1984年，霍爾（Jeffrey Hall）、羅斯巴什（Michael Rosbash）和揚（Michael Young）等團隊密切合作，成功分離出了period基因?；魻柡土_斯巴什隨后又發(fā)現(xiàn)了period基因編碼的PER蛋白質(zhì)，它們在夜間會累積，在白天則被降解。也就是說，PER蛋白質(zhì)的水平會在24小時的周期內(nèi)振蕩，與晝夜節(jié)律同步。

1994年，揚發(fā)現(xiàn)了第二個生物鐘基因timeless，它編碼了TIM蛋白質(zhì)。他的研究表明，當(dāng)TIM與PER結(jié)合時，這兩種蛋白質(zhì)能夠進入細胞核，在核中，它們阻斷了period基因的活性，從而關(guān)閉了抑制性反饋循環(huán)。

生物鐘分子機制的簡化示意圖。| 圖片來源：

2017年，霍爾、羅斯巴什和揚三人也因在發(fā)現(xiàn)控制晝夜節(jié)律的分子機制上做出的貢獻，被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

細胞之鐘：周期

如果我們再聚焦到生物內(nèi)部更小的組成單位，所有生物都是由細胞組成的。

真核細胞的染色體位于細胞核內(nèi)，與細胞的其他部分分隔開來。這些細胞最早出現(xiàn)在約20億年前的地球上。這些細胞組成的生物可以是單細胞生物，也可以是多細胞生物，比如動植物。人體由大量細胞組成，平均每克組織有10億個細胞，每個細胞核都包含我們?nèi)康倪z傳物質(zhì)，也就是DNA，它們分布在23對染色體上。所有這些細胞最初都來自一個細胞——受精卵。在成年人的身體里，還有大量不斷分裂的細胞取代著死亡的細胞。

一百多年前，人們就知道細胞是通過分裂繁殖的。然而，直到20世紀后期，人們才真正確定調(diào)控細胞周期，以及控制細胞分裂的分子機制。這些基本機制在進化中高度保守，它們在所有真核生物中以相同的方式運作。這些機制就像精確的“碼表”，嚴格調(diào)控著分裂的每一步。

細胞周期的階段和調(diào)控示意簡圖。| 圖片來源：

細胞周期由幾個階段組成。在第一階段（G1），細胞生長并變大。當(dāng)它達到一定大小時，就會進入下一個階段（S），DNA合成就在這一階段中發(fā)生。細胞復(fù)制其遺傳物質(zhì)（DNA復(fù)制），每條染色體形成副本。在下一階段（G2），細胞會檢查DNA復(fù)制是否完成，并為細胞分裂做好準備。染色體分離（有絲分裂，M），細胞分裂成兩個子細胞。通過這個機制，子細胞會得到相同的染色體設(shè)置。在分裂之后，細胞會回到G1，細胞周期完成。

細胞周期的持續(xù)時間因細胞類型而不同。在大多數(shù)哺乳動物的細胞中，它會持續(xù)10到30小時。處于G1階段的細胞并不總是會進入整個周期。相反，它們可以退出細胞周期，進入休眠期（G0）。

對于所有活的真核生物來說，細胞周期的不同階段必須精確協(xié)調(diào)，各階段必須按照正確的順序進行。協(xié)調(diào)錯誤可能導(dǎo)致染色體的改變。子細胞中的染色體或部分染色體可能會出現(xiàn)丟失或排列錯誤等問題。這種染色體變化經(jīng)常發(fā)生在癌細胞中。

2001年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主哈特韋爾（Leland Hartwell）、亨特（Tim Hunt）和納斯（Paul Nurse）在有關(guān)細胞周期的控制方面取得了突破性的進展。他們確認了在所有真核生物中調(diào)節(jié)細胞周期的關(guān)鍵分子，包括調(diào)控細胞周期的CDC基因家族、關(guān)鍵性調(diào)節(jié)蛋白CDK（周期蛋白依賴性激酶）以及蛋白質(zhì)家族細胞周期素。這些基本發(fā)現(xiàn)對細胞生長的各個方面都有很大的影響。從長遠來看，這也為癌癥治療開辟新的可能性。

原子之鐘

最后，讓我們來說一種真正的時鐘。從公元前的日晷，到17世紀惠更斯（Christiaan Huygens）的擺鐘。人類的計時工具一直在向著更精確的方向發(fā)展。

1955年，英國國家物理實驗室的埃森（Louis Essen）和帕里（Jack Parry）演示了第一臺原子鐘，它能夠?qū)r間精度控制在每天0.0001秒以內(nèi)的誤差。自此，原子鐘登上了計時裝置的舞臺。這種精準計時對衛(wèi)星導(dǎo)航、數(shù)字電視等領(lǐng)域至關(guān)重要。

在原子鐘的發(fā)展中，有一位華人科學(xué)家做出了突出貢獻，他是中科院外籍院士、物理學(xué)家葉軍。葉軍主要從事的是超冷原子、超冷分子和基于激光的精確測量的相關(guān)研究。2017年，葉軍和團隊研究出了實驗性的高精度鍶原子光晶格鐘。團隊將量子氣體態(tài)鍶原子擠壓成一個微型三維立方體，使原子密度大幅度提高。他們利用超低溫，將原子冷卻至非常接近絕對零度的溫度，并將每個原子囚禁在自己的位置上，來控制它們之間的相互作用，讓原子變成一種量子氣體（費米氣體）的狀態(tài)。原子鐘的精度從而得到大幅提升。

鍶原子鐘。| 圖片來源：G. Edward Marti/JILA

越來越準確的原子鐘讓科學(xué)家有辦法更精確地測量地球表面時空的引力扭曲，對引力波的探測、廣義相對論的檢驗，甚至對暗物質(zhì)的尋找都有重要的應(yīng)用價值。

從古至今，我們的時間觀既是線性的，也是循環(huán)的。事實上，這兩種時間觀最初都來自對不同層面上的“時鐘”的觀察。時鐘可以是一種宇宙觀、一種參考系、一種節(jié)律、一種循環(huán)，時鐘也可以是我們認知世界的一種方式。

撰文：Laridae Larus

封面及插圖設(shè)計：岳岳

插圖素材來源：Pablo Carlos Budassi/Wikicommons/Pixabay

參考來源：

https://www./what-is-time-a-history-of-physics-biology-clocks-and-culture-20200504/

《A Question of Time》

亞當(dāng)·哈特-戴維斯，《薛定諤的貓：改變物理學(xué)的50個實驗》https://www./prizes/chemistry/1960/libby/facts/

https://www./article/mg21128331-100-about-time-finding-the-age-of-everything/

https://www./articles/d41586-020-01499-y

https://twgeoref./GipOpenWeb/wSite/ct?xItem=143337&ctNode=1233&mp=105

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https://www./article/mg21128331-400-about-time-the-worlds-most-accurate-clock/

http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/wjysmd/201711/t20171130_4625333.html

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https://www./article/2149568-the-most-precise-atomic-clock-ever-made-is-a-cube-of-quantum-gas/

https://www./world-records/oldest-clock?fb_comment_id=533188793450120_1086005981501729#:~:text=The%20worlds%20oldest%20surviving%20working,more%20than%20500%20million%20times.