人类史上令人叹为观止的极限精度制造成果有哪些？ 第1页

大家的答案好像都是集中在空间上的极限精度啊，来说个时间上的极限精度吧。

即便你已经猜到我要说什么，也不妨跟着一起，看看人类的计时科技是怎么一步步地走过来的好了。

我们知道，在远古时期，人类用来确定时间的方式是一些自然界“相对”亘古不变的周期。

譬如地球的公转是为一年，月球的公转是为一月，地球的自转是为一天等等。

最早的计时可以追溯道公元前大约2000年的苏美尔地区。后来古埃及人把一天分为二个部分，每一部分再分为十二个小时，并使用大型方尖碑追踪太阳的移动。

随后人们又利用了沙漏、日晷、钟摆等工具，巧妙地利用一些相对固定而准确的周期来计时，这是一段漫长的历史。

最初，古埃及人发明了水钟（water clocks）。而在同一时期，我国的商朝人已开始使用泄水型水钟——漏壶。后来又有用蜡烛和线香计时的，所谓“刚一炷香的功夫，西门庆便从潘金莲房里出来了”之类。

北宋元祐元年（1086年），中国的黑科技开始爆发。天文学家苏颂在检验太史局的浑仪时，决心要将浑仪、浑象和报时装置结合。于是乎，苏颂拜访吏部守当官韩公廉，取得大神张衡、张思训的独门秘籍——“仪器法式大纲”，并着手建造一个划时代的计时工具——“水运仪象台”。

元祐三年（1088年）开始动工，元祐七年（1092年）“水运仪象台”竣工。

水运仪象台是一个类似于天文台，高约12米，宽7米，上下分三层；上层是浑天仪（天体测量之用），中层是浑象仪（天体运行演示），下层是司辰（自动报时器），全程用水力推动，可精确报时，李约瑟指这是欧洲天文钟的直接祖先。苏颂于绍圣初年著《新仪像法要》一书，详述水运仪象台的整体功能、零件150多种，60多幅插图。

令人惋惜的是，水运仪象台的原件在靖康之祸（1127年）时，被金兵掠往燕京置于司天台，又在金朝贞祐二年间（1214年），因运输不便而惨遭丢弃（实在是痛心啊。。）而南宋时，苏携保存的手稿，又因为无人理解其中方法和门道，而无人能仿造。（没办法，黑科技人家看不懂。。）

其实早在唐代，僧人一行和官员梁令瓒就综合各种漏壶制作技术，发明了世界上第一只机械钟。只可惜没有被推广，更未能继承发展成钟表。至元明之时，计时器摆脱了天文仪器的结构形式，得到了突破性的新发展。元初，郭守敬、明初詹希元创制了“大明灯漏”与“五轮沙漏”，采用机械结构，并增添盘、针来指示时间，其机械的先进性便明显地显示出来，计时变得越发精确。

到14世纪，西方国家广泛使用机械钟。在十六世纪，奥斯曼帝国的科学家达兹·艾-丁（Taqi al-Din）发明机械闹钟。

文艺复兴之后，中国的计时科技就被西方逆袭了。1583年，伽利略提出了著名的等时性理论，这也便是钟摆的理论基础。1656年，荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）应用他的理论，设计出了世界第一只钟摆。第二年，在其指导下，年轻的钟匠格斯塔（Coster）成功制造第一个摆钟。

18世纪期间，各式擒纵结构被发明出来，随后在其基础上创造出怀表。一直到19世纪，欧洲诞生了一大批钟表生产厂家。1904年，飞行员阿尔拔图·桑托斯-杜蒙特（Alberto Santos-Dumont）要求他的朋友，法国制表匠路易士·卡地亚（Louis Cartier），设计一个他可以在飞行时使用的表。其实，在更早的1868年，百达翡丽（Patek Philippe）已经发明了手表，不过当时这种女士的手镯表，只被视为首饰。卡地亚创造了桑托斯（Santos）手表，成为第一只为男士设计，而且实用的手表。（嗯，然后这货就开始在奢侈品的道路上祸害无穷了。。我去年买了个表~

伴随着机械钟表的发展，各家（以瑞士为主）钟表厂商开始追逐精确性。然而此时，石英的晶振效应被发现了。

1921年，华持·加廸（Walter G. Cady）制造第一个石英晶体谐振器。1927年，沃伦·马利逊（Warren Marrison J. W. Horton）和JW．霍顿（J. W. Horton）在加拿大的贝尔实验室制造首个石英钟。1967年，瑞士人发布了世界上首款石英表。两年后，精工创造了世界上第一个商业化量产的石英手表——雅士图（Astron）。

石英钟表的出现，代表着计时的准确性走到了一个前所未有的高度，所有机械表商都怂了，转而开始往奢华方向发展。

有人要问了，这个晶振到底是怎么回事呢？好，现在开始，离答案开始越来越近了。

早期科学家发现，当石英晶体受到电池的电力影响时，就会产生规律的振动。

经过计算并切割后的石英晶体，每秒的振动次数是32768次，利用这个固定的频率，可以设计一个简易电路来计算它振动的次数，当计数到32768次时，电路就会发出信号让秒针往前走一秒。这就是说，石英每振动32768下，就是一秒。这样的规律性计时，在当时是非常非常精确的，即使是最便宜的石英表，一天之内的误差率也不会超过1秒。

让我们记下32768这个数字，它是一个划时代的参照数字。在它之前，所有的频率都显得太小了。

石英计时刚刚得瑟了没几年，到了上世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的拉比，和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时，发明了一种被称为磁共振的技术，依靠这项技术，人们能够测量出原子的自然共振频率。

好，现在晶振频率你懂了，那这个原子的共振频率又是个啥玩意呢？

根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个相对高的“能量态”跃迁至低的“能量态”时，便会释放出电磁波。这种电磁波的特征频率是不连续的，也就是人们所说的共振频率。

依据这一原理，拉比构想出了一种全新的计时仪器——原子钟（Atomic clock）。

在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到另一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。

要是还是觉得绕人的话，我再来解释解释。

好比我是一个原子的电子，我从南京（高能量态）跑到上海（低能量态）时，这一路上我必须要大喊（释放能量）才能完成旅程。而我大喊的声音，是在一个固定频率上的，这个频率就是我这个原子的共振频率。而不同元素的原子，共振频率不同。原子钟的目的，就是想尽办法，让原子尽可能地达到固有的共振频率。

怎样实现这一固有的共振频率呢？（谢

业内人士指出，之前所列步骤为optical lattice clock晶格钟的步骤，现重新给出铯原子钟实现步骤的资料，铯原子钟为喷泉钟。）

第一阶段
由铯原子组成的气体，被引入到时钟的真空室中，用6束相互垂直的红外线激光（黄线）照射铯原子气，使之相互靠近而呈球状，同时激光减慢了原子的运动速度并将其冷却到接近绝对零度。此时的铯原子气呈现圆球状气体云。

第二阶段
两束垂直的激光轻轻地将这个铯原子气球向上举起，形成“喷泉”式的运动，然后关闭所有的激光器。这个很小的推力将使铯原子气球向上举起约1m高，穿过一个充满微波的微波腔，这时铯原子从微波中吸收了足够能量。

第三阶段
在地心引力的作用下，铯原子气球开始向下落，再次穿过微波腔，并将所吸收的能量全部释放出来。同时微波部分地改变了铯原子的原子状态。

第四阶段
在微波腔的出口处，另一束激光射向铯原子气，探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。当在微波腔中发生状态改变的铯原子与激光束再次发生作用时就会放射出光能。同时，一个探测器（右）对这一荧光柱进行测量。整个过程被多次重复，直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。这一点定义了用来确定秒的铯原子的天然共振频率。

上述过程将多次重复进行，而每一次微波腔中的频率都不相同。由此可以得到一个确定频率的微波，使大部分铯原子的能量状态发生相应改变。这个频率就是铯原子的天然共振频率，或确定秒长的频率。

好了，现在我们得到了无限接近于原子固有频率的这个数字。那么和上面的晶振一样，只要我们计下每一次振动，那么就可以通过计数的方法来确定时间了。

因为原子的共振频率是固定的。比如有名的铯原子（Caesium133），它的固有频率是9192631770赫兹，约合92亿赫兹，也就是说一秒钟它会振动9192631770次。那么反过来，只要根据铯原子钟，计数9192631770次，我们就测量出了无比精确的一秒钟。

还记得石英的晶振频率吗，是32768赫兹。

显然，9192631770远大于32768。

事实上，很多国家（包括我国）的标准局，就是用铯原子钟来作为时间精度标准的。美国的国家标准技术局（NIST）使用的也是铯原子钟NIST-F2。GPS系统也是用铯原子钟来计时的。

【评论区有些疑问，在这里还是试着说说好了。

铯原子的固有频率是通过实验和相关公式计算得到的。具体可以参考拉姆齐的分离振荡场方法，所产生的拉姆齐条纹这个实验。铯原子钟的原理就是通过这个实验得到的。通过原子的磁矩在从第一个振荡场进入第二个振荡场时，所产生的180°翻转时产生的最大跃迁几率，此时振荡场频率应等于拉摩频率。当两频率出现微小偏差时（相位差为π），第二振荡场的磁矩反转，此时产生最小跃迁几率。如此形成了一个共振峰，然后频率的相位差为2π时，磁矩再次翻转，又产生一个最大跃迁几率，以正弦的形式交替变化，形成拉姆齐条纹。而条纹的中心位置，振荡场频率和拉摩频率相等。

根据量子力学的观点，拉姆齐条纹是铯原子与振荡场作用的几率振幅相互干涉的结果。中心条纹时跃迁几率最大，其宽度也便是固有振荡频率，由原子在两个振荡场之间的飞行时间决定，再由铯原子运动速度，可以计算出铯原子的固有振荡频率。】

但，一山还有一山高啊。

科学家随后又研发出的铷原子钟（Rubidium87），汞原子钟。

2008年诞生的锶（Strontium87）原子钟，固有频率为429 228 004 229 873，约合430万亿赫兹，更是将精度提高到了10的17次方。

还记得铯原子钟的频率吗，是92亿。

显然，430万亿远大于92亿。

2013年，据Oates和Ludlow在《科学》杂志上发表的报告，用镱元素（ytterbium）制成的原子钟问世。科学家首先将约1万个镱原子冷却至10微开尔文，即在绝对零度以上百万分之十度，然后将其封闭到由激光制成的被称为光晶格的“容器”中，最终制成了当时最稳定的原子钟。

镱原子钟的固有频率约合518万亿赫兹，比锶原子钟的430万亿赫兹更高。精度也更是高达10的18次方。

根绝最新测算数据显示，宇宙的年龄为138亿年。如果这台镱原子钟从宇宙诞生之初，就开始“滴答滴答”地走动，直到今天也不会发生1秒的误差。

而我们人类，依然在更精确的计时之路上继续前行。。。

======来自业内人士的补充=======

再次感谢

他提到，叶军在14年利用Sr原子BEC（玻色-爱因斯坦凝聚），同样将Sr钟的不确定度提高到了10^-18的量级，而实际应用中考虑环境黑体辐射等因素其精确度已经超过了Yb钟。

而Sr钟精度之所以能够超过Yb钟，是因为目前限制晶格钟精度的主要问题，在于原子系综的基态涨落带来的噪声，BEC实现了更精确的原子基态的集体位相，故而使得钟的精确度更高。

此外，可以预见的下一代的原子钟应该会是squeezed clock（压缩钟），即通过对原子系综自旋的操作而精确测量基态位相。

既然前面写了这么多光学的精密成果，那我也来写个跟我方向相关的，关于高速相机的。

古人用“白驹过隙”来形容时光飞逝，是因为飞奔的白马在缝隙里一晃而过，人眼很难分辨。。。额，工科狗在这里歪解成语真的好吗？！我只是想说如果现在借助CCD和CMOS相机就能很清楚的，分辨白驹过隙了。

大家都用过数码相机，单反。什么，你说没用过？那手机自带相机里你肯定用过吧？大家都觉得相机照相的一瞬间时间很短，但是相对来说其实还是很慢的，譬如按快门的时候小手一抖，经验到手。。。咳咳，打字的时候手抖了。应该是小手一抖，照片很丑，很有可能会出现残影。譬如下面这种效果：

不过这种效果好像很酷炫！

如果物体速度再快点，就下面这效果:

当然，现实生活中的带残影的照片大多是由曝光时间过长造成的。不过如果物体速度过快，确实很产生残影，甚至成一条线。譬如最熟悉的例子就是出膛的子弹了。

这时候你手机自带相机乃至单反，对于这种情况都无能为力了。如果要拍出清晰的一瞬间的像，就需要特殊的高速相机出场了。当然，对应于摄像机，在普通摄像机的情况下就是根本看不清子弹的轨迹，在高速摄像机下慢放就可以看清子弹的运动轨迹。

普通的手机相机一般帧率在30fps，也就是一秒钟最多拍30张照片，最高也就一百多帧每秒。消费级的相机一般最高帧率也就在一百多了。工业级的相机，一般的帧率也就在几十到几百帧。

工业相机里的战斗机——凶残的pco的相机（如下图），最快快门曝光时间在3ns，也就是一秒可以拍1.0*10^9/3=3.33*10^8, 3亿多张照片。 乃们自己去想象吧，什么概念！算不算叹为观止？

主要应用于：气体流场分析;液体流场分析;超高速撞击研究;超声波火焰传播;激光烧蚀;火花的电器开关;超高速弹道监测;瞬态光谱物理;高能物理;激光核聚变等。

但是，这还不是终点。我们的目标是什么？星辰大海啊！高速相机的极致追求是什么？你们大声告诉我！！！（台下一片沉静。。。冷场了，囧）机智如我，换个问法：问世间，情为何物？啊，呃，错了（单身狗怎会有感情问题。。。）更正下：问世间，何为速度的极致？大家大声唱出来！台下一片呐喊：“你是电,你是光,你是唯一的神话！”（这才对嘛）

能拍摄世间最快的光的运动才是高速相机追求的极致! 14年，华裔科学家 Lihong V. Wang（不知道具体中文名字，反正不管，就叫他王力宏了）课题组在《nature》发表了（印象中好像是封面文章）《Single-shotcompressedultrafastphotographyatone hundred billion frames per second》，首次实现了一千亿帧的高速成像。什么概念了，光的速度大家都知道是3*10^8，这个成像的最短时间是10^-11，也就是光在这个时间里走的距离为3*10^-3米，也就是3毫米，换句话说你看到的光就是3毫米长的点，基本实现了对光的高速摄像。

不管有没有令大家叹服，反正我是叹服了！

附论文里的光的运动轨迹配图：

光的反射小视频：

光的折射小视频：

以上图片部分来自百度和nature官网，有侵权请联系立删。

这个问题下简直是大型光学行业聚会现场。这些真正的极限精度的制造加工，除了原子力之外，要么本身是光学仪器，要么就是得靠光学仪器来检验。光学站在了人类精密制造的第一线。

这里我介绍一个相比于詹姆斯韦伯望远镜或者是ASML光刻机外，更少有人知道的极限精密的光学装置——用于研究可控核聚变的，美国国家点火装置，NIF。它的基本原理是让很多束高能激光同时打中含有氘氚等材料的靶丸，并且诱发核聚变。

来看看其精度要求：

在长达一公里的厂房设备内，最终要让192门激光经过无比复杂的增益和光束整形后，携带500太瓦的能量，从各个方向同时击中约2毫米直径的靶丸，误差不超过几个皮秒。

NIF平面图：

为了达到这种精度的点火要求，在总共4个足球场大小的实验装置里，重型设备的位置摆放精度都是100微米量级的，而对光学元件的加工与组装精度都是在亚微米等级……

我国也有类似的装置。坐落在上海嘉定的神光一号二号，以及在四川的神光三号，便是类似原理激光点火聚变装置。

其实呢，不论是NIF还是神光，在核聚变的研究上都没太好的进展，毕竟距离可控核聚变的实现还有50年……然而在不允许热核武器实验的公约下，NIF已经转变为武器研究所了。我国神光的情况，不知道，知道也不能说。

那个用小数点后5亿位保存大英百科全书的答案说的很好，这种储存方式人类确实永远实现不了。

因为这是在太TM低效了，外星人是得有多蠢才会用超越物质最小尺度10的一千万次方倍的精度去储存区区5亿位的数据？

这种精度下足以储存2的5亿次方位数据。就算外星人的精度只有这个的一亿亿亿亿亿亿亿亿...(数百万个亿)分之一，也足以在一个原子中储存5亿位的数据了。

这种低效的创意只能称之为蠢，连疯子都算不上。而这本书里面大部分的想法也都是一样的蠢。

@张浩 说的也是我想说的。机械硬盘的制造几乎就是目前人类精密制造工艺的极限了。

就拿里边的【磁头】来说吧，它依靠磁场的变化对磁盘介质进行读和写。在这个过程中，磁头在盘面飞速划过，确切地说是“飞过”，因为磁头在读或写的时候不接触盘面，是悬空的，飞行高度为5-10纳米。

为了让磁头飞起来，首先将磁头装载在一个滑块上，然后根据空气动力学原理把该滑块的剖面制成弧形，这个弧形得精密到何种地步呢？相当于半径为25米（也可能是15米，我记不清了）的圆，截取其中0.7毫米左右的弧长！这样，盘面高速转动所带动的气流就能让滑块载着磁头恰好飞起来。

此外，为了保护磁头不受腐蚀，还要在它上面镀上一层【类金刚石】膜，采用等离子体气相沉积的办法，使其厚度只有几纳米（不同型号略有不同），误差控制在几埃。注意，碳原子的半径为0.7 埃，所以，这简直精密到了原子尺度啊！

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我之所以知道这些，是因为我曾经在日本TDK下属的子公司做过工程师，后来考上研就拍屁股走人了，那家企业也有日本籍员工，可同样的岗位和工作，人家的薪酬换成人民币后，居然是我们的10倍！算，不提了。离开这行多年，上文的一些数据还特地跟以前的同事核实了一下。当然，我还在职的那阵，公司内部就有很多人认为，机械硬盘的制造已经是夕阳产业了，不久的将来它会被固态硬盘所取代。

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      我看到旧照片里，我爷爷姥爷帅的秒杀很多明星啊！你们爷爷奶奶姥姥姥爷年轻的时候长什么样子呢？请放上旧照片。

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