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2013年,埃及帝王谷出土了一个古老的日晷,它是一块平坦的砂岩,上面刻着一些标记,研究显示它可能来自约公元前1250年。在古埃及,白天和夜晚被分为12个小时,小时的长度可能会随着季节而变化,夏季的白天时间更长,而冬季的白天则更短一些。

时钟帮助我们计时,让我们对时间有一种更直观的认识。然而,在人类发明时钟之前,自然、生物、细胞甚至原子,似乎早已经各自发展出了自己的时钟。

“宇宙之钟”:宇宙观

17世纪,旷世巨作《原理》问世,牛顿在书中写道:

绝对的、真实的和数学的时间,由其特性决定,自身均匀地流逝。

牛顿认为,真实的时间以稳定的速度流动着,这种流动指向未来,世界就是被一个“宇宙的主时钟”主宰着。

随着牛顿力学体系的建立,万有引力定律不仅可以解释地表物体的运动,也能解释天体的运动。在启蒙运动时期,在自然神论者中由此开始流行一种机械宇宙观(clockwork universe)。他们将宇宙视为一个完美精确的机械钟表,随着钟表运行,它的齿轮主导着物理定律,让这台机器的所有部分变得可以预测。

2009年,艺术家维尔瑞尔为澳大利亚国家科技馆制作了一个巨大的挂件,代表机械宇宙观的概念。

   图片来源:OpheliaO / Wikicommons

牛顿的观点似乎与我们的经验常识吻合,对每个人来说,时间的确好像是在流逝,且流逝的速度都是一样的。但这一切在20世纪初被一位科学家改写,他就是爱因斯坦

为了用一种最直观的办法简单介绍爱因斯坦的理论,我们可以借助科学家戴维斯(Adam Hart-Davis)讲述过的一个思想小实验来理解。想象一艘宇宙飞船,它的尾部放着一台频闪灯,每秒钟闪烁10次。如果飞船是静止的,那么灯发出的闪光也会以每秒10次的频率到达飞船头部。但是,如果我们让这艘飞船在宇宙中加速飞行,尾部发出的闪光依然保持每秒10次,但是在相邻的两次闪光之间,飞船的速度会变快一些,所以闪光需要花费更长时间才能到达头部,因此在头部观察到的闪光可能只有每秒9次,也就是说,闪光的频次变慢了。

换句话说,当飞船启动后,在这个具有加速度的参考系中,对头部的观察者来说,尾部的时钟就变慢了,这就是引力红移带来的影响。相反,如果把频闪灯放在头部,在加速度的作用下,船尾的观察者则会觉得头部的时钟变快了,引力蓝移效应则发挥了作用。

这种引力频移理论表明,时间在强引力场中会变慢。这种“时间膨胀”意味着,时间对不同观测者来说是可能是不同的,时间的测量取决于观察者的运动。唯一的例外是光速——对所有人而言,光速都是一样的。

也就是说,“遗憾”的是,尽管牛顿获得了辉煌的科学成就,但在这一点上,他错了。爱因斯坦的理论说明,宇宙不可能像牛顿想象的那样有一个“主时钟”。

自然之钟:定年

现在,让我们回到地球上。我们的地球已经存在了大约45亿年,这是个极其大的数字,要知道,吉尼斯世界纪录的人类最长寿命甚至没有超过45亿秒(大约144年)。但地质学家却知道45亿年的地球年龄。

这要归功于自然界中一类神奇的物质,它们可以充当一种特殊的“计时工具”,告诉我们地球(甚至一些太阳系历史)的故事。

在自然界存在大量放射性原子,在这些原子的集合中,一定数量的原子会在一定的时间内衰变。通过测量某种原子有多少被密封在了岩石或其他样本中,并和其衰变产物进行对比,科学家就能知道这些岩石或手工制品样本形成的时间。

对大多数岩石样本来说,最受欢迎的方法包括铀铅定年法。锆石是在火成岩中发现的硅酸盐矿物,它们在晶体结构中通常含有铀的微小杂质。铀的两种同位素具有不同的半衰期,²³⁸U的半衰期约45亿年,而²³⁵U的半衰期则约7.04亿年,这两种同位素通过两条独立的途径衰变,但它们最终都会变成铅的稳定同位素。这就带来了非常高的精确度。铀铅定年法被人们普遍认为是定年的“黄金标准”。

对于没有那么古老的岩石和史前人类手工品来说,还有其他同位素能提供可靠的结果。例如,人类工具在坦桑尼亚奥杜威峡谷的首次出现是在大约200万年前,这个定年结果来自钾衰变成氩的过程。

常见的一些定年方法及其适用对象和年代。

   图片设计:雯雯;素材参考:New Scientist

此外,自大约6万年前起的更为关键的人类和自然历史,主要是用碳同位素的“语言”书写的。这种方法为考古学、地质学、进化人类学、地球物理等诸多科学领域带来了革命。放射碳定年法的奠基人利比(Willard Libby)也因此获得了1960年诺贝尔化学奖。

自然界中有三种碳的同位素,绝大多数是¹²C,非常少量的是¹³C,还有非常非常微量的一部分是具有放射性的¹⁴C,也被称为放射性碳,它们的半衰期约5730年。这种碳的形成过程可以简单理解成,极高能宇宙射线粒子撞击大气外层的原子核产生中子,中子再撞击氮(¹⁴N)的原子核生成。

¹⁴C虽然非常微量,但同样会参与到自然界的循环中。在动植物活着的时候,它们会通过呼吸、进食等方式不断摄入碳元素,其中必然包含一定量的¹⁴C。这些过程在生物死亡的那一刻也随即停止,那么在它们体内累积的¹⁴C会继续发生衰变。因此放射性碳定年就是对生物体内¹⁴C的残留进行检测,进而估算出生物死亡的时间。

但是,这种基本计算的前提是假设¹⁴C在时空上是恒定的,但这显然是理想化的,尤其是最近几十年中,化石燃料的使用和核试验等人为因素都极大地影响了¹⁴C的含量。对不同地区来说,¹⁴C的含量也有所差异。因此,研究人员会通过年轮等其他技术获得的数据对¹⁴C的估算进行校正。

根据《自然》杂志的报道,就在今年,放射性碳定年的年代将会迎来最新一次的校正,研究人员计划将在接下来的几个月时间里在《放射性碳》期刊上发表最新的北半球、南半球和海洋样本的校正曲线,这会更新许多研究发现的年代估计。虽然这次重新校正带来的并非“天翻地覆”的改变,但对科学家来说,任何微调都不是小事。比如,根据最新校正的数据,来自西伯利亚的最古老的现代人类化石,可能比之前认为的要推后1000年。

生物之钟:节律

地球上的生命需要不断适应地球环境。为了适应地球自转,帮助调节一天中的节奏规律,生物体内发展出了一套独有的“时钟系统”,被称为昼夜节律,也就是我们常说的“生物钟”。

最早有关生物节律的著名实验来自18世纪。当时,天文学家迈兰(Jean-Jacques d'Ortous de Mairan)注意到,含羞草的叶子在白天对着太阳打开,在黄昏则会合上。他想知道这是否是植物对阳光的反应。他将含羞草放在暗室中,发现在没有阳光的环境中,含羞草仍然保持着原来的“生活节奏”。

20世纪中叶,德国动物学家克默雷(Gustav Kramer)认为,不仅是植物,动物和人类都有一种内在的生物钟,帮助我们为一天的波动做好生理准备。还有生物学家发现,鸟类约24小时的昼夜节律甚至能够帮助它们导航。

对人类来说,我们的生物钟精确地调控着我们的生理机能,比如行为、激素水平、睡眠、体温和新陈代谢,让我们能适应一天中不同的时间段。当外部环境和这种内部时钟出现了暂时的不匹配时,比如当我们经历时差时,身体健康就会受到一定程度的影响。也有一些证据暗示,如果我们的生活方式和内部时钟出现长期的“不同步”,可能会影响相关疾病的风险。

但我们体内的生物钟究竟是如何工作的仍然是个谜。1984年,霍尔(Jeffrey Hall)、罗斯巴什(Michael Rosbash)和(Michael Young)等团队密切合作,成功分离出了period基因。霍尔和罗斯巴什随后又发现了period基因编码的PER蛋白质,它们在夜间会累积,在白天则被降解。也就是说,PER蛋白质的水平会在24小时的周期内振荡,与昼夜节律同步

1994年,扬发现了第二个生物钟基因timeless,它编码了TIM蛋白质。他的研究表明,当TIM与PER结合时,这两种蛋白质能够进入细胞核,在核中,它们阻断了period基因的活性,从而关闭了抑制性反馈循环。

生物钟分子机制的简化示意图。

   图片来源:nobelprize.org

2017年,霍尔、罗斯巴什和扬三人也因在发现控制昼夜节律的分子机制上做出的贡献,被授予诺贝尔生理学或医学奖

细胞之钟:周期

如果我们再聚焦到生物内部更小的组成单位,所有生物都是由细胞组成的。

真核细胞的染色体位于细胞核内,与细胞的其他部分分隔开来。这些细胞最早出现在约20亿年前的地球上。这些细胞组成的生物可以是单细胞生物,也可以是多细胞生物,比如动植物。人体由大量细胞组成,平均每克组织有10亿个细胞,每个细胞核都包含我们全部的遗传物质,也就是DNA,它们分布在23对染色体上。所有这些细胞最初都来自一个细胞——受精卵。在成年人的身体里,还有大量不断分裂的细胞取代着死亡的细胞。

一百多年前,人们就知道细胞是通过分裂繁殖的。然而,直到20世纪后期,人们才真正确定调控细胞周期,以及控制细胞分裂的分子机制。这些基本机制在进化中高度保守,它们在所有真核生物中以相同的方式运作。这些机制就像精确的“码表”,严格调控着分裂的每一步。

细胞周期的阶段和调控示意简图。

   图片来源:nobelprize.org

细胞周期由几个阶段组成。在第一阶段(G1),细胞生长并变大。当它达到一定大小时,就会进入下一个阶段(S),DNA合成就在这一阶段中发生。细胞复制其遗传物质(DNA复制),每条染色体形成副本。在下一阶段(G2),细胞会检查DNA复制是否完成,并为细胞分裂做好准备。染色体分离(有丝分裂,M),细胞分裂成两个子细胞。通过这个机制,子细胞会得到相同的染色体设置。在分裂之后,细胞会回到G1,细胞周期完成。

细胞周期的持续时间因细胞类型而不同。在大多数哺乳动物的细胞中,它会持续10到30小时。处于G1阶段的细胞并不总是会进入整个周期。相反,它们可以退出细胞周期,进入休眠期(G0)。

对于所有活的真核生物来说,细胞周期的不同阶段必须精确协调,各阶段必须按照正确的顺序进行。协调错误可能导致染色体的改变。子细胞中的染色体或部分染色体可能会出现丢失或排列错误等问题。这种染色体变化经常发生在癌细胞中。

2001年,诺贝尔生理学或医学奖得主哈特韦尔(Leland Hartwell)、亨特(Tim Hunt)和纳斯(Paul Nurse)在有关细胞周期的控制方面取得了突破性的进展。他们确认了在所有真核生物中调节细胞周期的关键分子,包括调控细胞周期的CDC基因家族、关键性调节蛋白CDK(周期蛋白依赖性激酶)以及蛋白质家族细胞周期素。这些基本发现对细胞生长的各个方面都有很大的影响。从长远来看,这也为癌症治疗开辟新的可能性。

原子之钟

最后,让我们来说一种真正的时钟。从公元前的日晷,到17世纪惠更斯(Christiaan Huygens)的摆钟。人类的计时工具一直在向着更精确的方向发展。

1955年,英国国家物理实验室的埃森(Louis Essen)和帕里(Jack Parry)演示了第一台原子钟,它能够将时间精度控制在每天0.0001秒以内的误差。自此,原子钟登上了计时装置的舞台。这种精准计时对卫星导航、数字电视等领域至关重要。

在原子钟的发展中,有一位华人科学家做出了突出贡献,他是中科院外籍院士、物理学家叶军。叶军主要从事的是超冷原子、超冷分子和基于激光的精确测量的相关研究。2017年,叶军和团队研究出了实验性的高精度锶原子光晶格钟。团队将量子气体态锶原子挤压成一个微型三维立方体,使原子密度大幅度提高。他们利用超低温,将原子冷却至非常接近绝对零度的温度,并将每个原子囚禁在自己的位置上,来控制它们之间的相互作用,让原子变成一种量子气体(费米气体)的状态。原子钟的精度从而得到大幅提升。

锶原子钟。

   图片来源:G. Edward Marti/JILA

越来越准确的原子钟让科学家有办法更精确地测量地球表面时空的引力扭曲,对引力波的探测、广义相对论的检验,甚至对暗物质的寻找都有重要的应用价值。

从古至今,我们的时间观既是线性的,也是循环的。事实上,这两种时间观最初都来自对不同层面上的“时钟”的观察。时钟可以是一种宇宙观、一种参考系、一种节律、一种循环,时钟也可以是我们认知世界的一种方式。

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