水晶如何测量时间的流逝 - 华尔街日报

插图：托马什·瓦伦塔物理学家海伦·切尔斯基探索日常现象背后的复杂科学。阅读更多专栏请点击此处。

最近我第一次体验了包裹直接配送到船上的服务。我目前的临时住所——一艘德国海洋科考船——在港口延误了，但我并不介意，因为登船第二天我发现计时器坏了。具体来说，一个控制昂贵精密科学设备开关的简易电子计时器停止了工作。

没有时钟这个科学仪器的指挥家，其他设备就只是一堆精心雕琢的塑料金属废料。电子钟看似简单，但现代人生活完全依赖它们：电子表、电脑时钟、闹钟等等。但"守时"究竟有多难？又是谁在守护时间？

答案有些出人意料——与电子、程序代码甚至任何微观事物都无关。所有电子钟的核心是一个长度约2.5毫米的微型音叉，通常由石英制成（因此我们称之为石英表），其守时精度令人惊叹。

石英是硅氧原子组成的刚性晶格，人工几乎能制造出完美晶体。制作音叉形状的石英晶体相对简单，它会像音乐家的调音叉那样以特定频率振动发声。但石英真正的妙处在于：当晶体轻微形变时，表面会产生微弱电压；反之施加电压也会导致形变。这种压电效应将机械音叉与电子世界连接起来。

当音叉开始振动时，它会产生一个电压，该电压连接到电路中。然后，电路接收信号并将其反馈给音叉，提供一点能量，使音叉持续振动。就像推孩子荡秋千一样，开始时可能需要一些额外的能量，但之后你只需要在每次摆动到相同位置时轻轻一推，它就会持续摆动下去。

音叉的频率（它振动的“音高”）取决于晶体的大小和形状，因此制造它的工程师可以选择。实际上，所有数字手表设计师都使用相同的频率，这个频率太高，我们听不到，大约比标准钢琴上的最高音高出三个八度。在这个频率下，音叉每秒振动32,768次，这使得计时变得简单。你可以制作一个电路，只计算每隔一次的振动，将频率减半，如果你从这个数字开始，总共减半15次，你就会得到一个每秒精确一次的电子滴答声。现在，你有了一个时钟。

数字时钟就是这样的——一个非常精确的音叉，一个电子电路，只提供足够的能量使其持续运行，以及一个输出计数器。当我把我的海洋学设备放在浮标上，让它自由漂浮几天以进行测量时，我可以确信那些微小的音叉会为我计时，这样我就能知道数据是在什么时候收集的。这一切之所以可能，是因为包裹及时送达了船上，带来了一个新的计时器：一个新的晶体音叉，随着科学的滴答声计算秒数。没有它，所有的数据都将毫无意义。但时间准时送达了，这位科学家对此感到无比高兴。

出现在2022年7月9日的印刷版中，标题为《水晶如何测量时间的流逝》。