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萬物運轉的節(jié)奏

 逸心茶舍 2020-06-09
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，它的齒輪主導著物理定律，讓這臺機器的所有部分變得可以預測。


 2009年，藝術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）。但地質學家卻知道45億年的地球年齡。

這要歸功于自然界中一類神奇的物質，它們可以充當一種特殊的“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，并和其衰變產物進行對比，科學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，它們在晶體結構中通常含有鈾的微小雜質。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。| 圖片設計：雯雯；素材參考：New Scientist

此外，自大約6萬年前起的更為關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、地質學、進化人類學、地球物理等諸多科學領域帶來了革命。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，放射性碳定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，但對科學家來說，任何微調都不是小事。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地球環(huán)境。為了適應地球自轉，幫助調節(jié)一天中的節(jié)奏規(guī)律，生物體內發(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”。

最早有關生物節(jié)律的著名實驗來自18世紀。當時，天文學家邁蘭（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。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，德國動物學家克默雷（Gustav Kramer）認為，不僅是植物，動物和人類都有一種內在的生物鐘，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航。

對人類來說，我們的生物鐘精確地調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，讓我們能適應一天中不同的時間段。當外部環(huán)境和這種內部時鐘出現(xiàn)了暫時的不匹配時，比如當我們經歷時差時，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部時鐘出現(xiàn)長期的“不同步”，可能會影響相關疾病的風險。

但我們體內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，它們在夜間會累積，在白天則被降解。也就是說，PER蛋白質的水平會在24小時的周期內振蕩，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。他的研究表明，當TIM與PER結合時，這兩種蛋白質能夠進入細胞核，在核中，它們阻斷了period基因的活性，從而關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或醫(yī)學獎。

 細胞之鐘：周期 


如果我們再聚焦到生物內部更小的組成單位，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，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全部的遺傳物質，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”，嚴格調控著分裂的每一步。


 細胞周期的階段和調控示意簡圖。| 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。細胞復制其遺傳物質（DNA復制），每條染色體形成副本。在下一階段（G2），細胞會檢查DNA復制是否完成，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，各階段必須按照正確的順序進行。協(xié)調錯誤可能導致染色體的改變。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。這種染色體變化經常發(fā)生在癌細胞中。

2001年，諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主哈特韋爾（Leland Hartwell）、亨特（Tim Hunt）和納斯（Paul Nurse）在有關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節(jié)細胞周期的關鍵分子，包括調控細胞周期的CDC基因家族、關鍵性調節(jié)蛋白CDK（周期蛋白依賴性激酶）以及蛋白質家族細胞周期素。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，它能夠將時間精度控制在每天0.0001秒以內的誤差。自此，原子鐘登上了計時裝置的舞臺。這種精準計時對衛(wèi)星導航、數(shù)字電視等領域至關重要。

在原子鐘的發(fā)展中，有一位華人科學家做出了突出貢獻，他是中科院外籍院士、物理學家葉軍。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，甚至對暗物質的尋找都有重要的應用價值。

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·哈特-戴維斯，《薛定諤的貓：改變物理學的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
https://www./prizes/medicine/2017/press-release/
https://www./prizes/medicine/2001/press-release/
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
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
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.

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