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    無“時間”?不奧運!

      冬奧會賽事已經過半,賽場上依然精彩紛呈。從開賽第二天的短道速滑2000米混合接力比賽中國隊以0.016秒的優勢險勝意大利隊,到2月12日男子500米速滑高亭宇打破世界紀錄奪冠,都無不激動人心。奧運比賽到底精彩在那里?是運動員在賽場上展現出來的力量、速度、信念和熱血,鼓舞和感染了賽場內外的觀眾?還是比賽本身帶有的不確定性使得賽場總是出乎意料,激動人心?還是因為運動員身上洋溢出來的陽光體魄和健康美,讓人賞心悅目?應該還不止這些??赡苷且驗閵W運比賽集眾多魅力于一身,所以它才吸引了億萬觀眾每天在電視機前翹首以待。

      說體育賽場就像戰場,應該不為過。比賽既是技術比拼也是科技的較量。比賽之所以精彩,計時儀器的助力功不可沒!可以說沒有決不出勝負的比賽,只有拖了后腿的計時儀器。

      時間一直被人們用于比較事物發生的先后順序,我們只需說出每件事發生的時間坐標,就可以比較它們發生的先后順序?,F代奧運會的速度比賽,運動員們爭的往往就是那千分之一秒,這可比眨眼還快很多,我們平時說的“一眨眼的時間”,其實大約需要0.3秒。那么如何精確地判定事物發生時時間上細微的先后差距呢?道理是一樣的,讀出事件發生和結束的時間坐標就可以了。但是我們要做的就是更進一步地卡準時間坐標軸上點的位置,比如起點和終點,并將點與點之間的時間間隔細分再細分。道理說起來挺容易的,但落實到技術上,比如,如何消除起點和終點計時誤差、提升整個賽程的時間測量精度,可費了百年的功夫。近百年來,奧運記錄不斷被刷新,計時的精度也跟著水漲船高。

      靠肉眼看?早就一去不復返了!

      來,直接上圖。圖為2月12日男子500米速滑決賽(截圖來自央視頻)。

      兩位運動員成績顯示都是35.16,打成平手?不可能!這里再重復下這句話“沒有決不出勝負的比賽,只有拖了后腿的計時儀器!”。果然,賽事組織者留了一手。這里,用于發布的時間只精確到百分之一秒,就是你在截屏圖片上看到的保留到小數點后兩位。但其實奧林匹克計時標準必須精確到毫秒量級,也就是小數點后三位。略微等待幾秒鐘之后,成績出來了,加拿大選手35.162,意大利選手35.168,加拿大選手以0.006秒險勝!這種毫秒量級的細微差別當然是靠肉眼分不出區別來的!

      其實肉眼判斷比賽勝負的時代早在1912年瑞典斯德哥爾摩奧運會上就已經終結。這得感謝電影之父埃德沃德.邁布里奇。你沒看錯,人家確實是文藝界的,可能這就是所謂的“蝴蝶效應”,一個不同領域的創意無意間竟導致了奧運計時領域的革新。1872年,當時有一個長期困擾藝術界的問題就是“畫馬奔跑的時候,是否有一瞬間馬兒四蹄腿同時離地了呢?”邁布里奇接受這一研究課題的委托,天才地設計出一套由多架相機組成的感應裝置,馬在奔跑過程中依次踢斷連接在不同相機快門上的繩子從而觸發相機快門,這樣就可以拍攝到一組馬匹運動的姿態。為了紀念這一創意,邁布里奇在拍攝奔馬時所用到的線就被稱為“邁布里奇線”。我們知道,人的肉眼快門速度在1/100~1/200s間,但它無法將瞬間凝固下來,所以無法判斷出奔馬的四蹄是否懸空。同理,當多個參賽者幾乎同時沖過終點線時,肉眼也無法判斷出誰率先沖線。受邁布里奇線的啟發,1912年斯德哥爾摩奧運會上第一次采用了終點攝像技術,通過照相將瞬間凝固下來以便裁判后期判斷。

      二戰的軍備競賽催生出計時的電子時代。如果說機械時代的計時的精度在1/10秒的話,那么電子時代計時儀器的精度可達1/100秒,并且利用電子設備解決比賽開始和結束人工計時誤差,可以進一步將計時精度提高到1/1000秒。在1948年的奧運會上,終點攝像技術進一步進化為終點電子攝像技術,又稱“魔眼”,第一次使計時成為一個全自動化的、整合的系統。這臺終點攝影機與一個電子手槍相連,觸發電子手槍開始比賽并計時。相機的框架上有一個十分之一毫米的狹縫,與終點線完全對齊,運動員沖過終點線時阻擋光線完成拍攝和計時,可謂一氣呵成。

      所謂沒有對比就沒有傷害,優秀全靠對比襯托啊。我們回過頭來看看1896年第一屆近現代奧運會上所使用的計時儀器吧。

      它其實就跟我們小時候體育課上用到的碼表差不多,由裁判手動觸發碼表開始和結束比賽。缺點顯而易見,除了計時的各種人為反應誤差、判斷誤差,還有不同計時品牌間的誤差。雖說上世紀初期受制于生產力條件限制,但人們還是可以通過一些方法提升計時精度,比如,統一計時儀器和在同一賽事中使用多名裁判計分,最后求取平均數等。但這些方法的計時精度只能到1/5秒,當然是分辨不出百分秒和千分秒之差的,也就沒什么公平性可言了!

      所以說“魔眼”的出現意義非凡,它終結了人力計時的時代。而邁布里奇沖帶線至此也完成了它的歷史使命,逐漸退出了歷史舞臺。但“沖線”這個詞卻保留了下來,并延用至今,成為了體育比賽的常用語。并且“沖線”的“線”也成為了現今無論賽事大小,非常有意思的終點擺設。

      可以說現代奧運計時系統就是在“魔眼”系統的基礎上修修補補升級改造逐漸完善起來的。毫不夸張的說,除了可以忽略不計的線路傳輸誤差,現代奧運的計時技術已經讓賽事排名變得不會再會有爭議了。

      吃瓜群眾看到這里不禁要問了,原來計時系統有那么多的科技含量?撇開奧運說,時間是目前測量精度最高的物理量,沒有之一。計時系統的精度決不止千分秒量級,你可能想不到吧,鍶原子光鐘的精度可是阿秒量級的,即10的-18次方!這不,科學研究上使用的計時儀器來奧運會幫忙了么。圖為奧運版原子鐘——量子計時器(圖片來自swisswatch官網)。

      來,繼續上圖,有圖才有真相,看看最近幾屆奧運會新上線的計時系統。圖為2月12日男子500米速滑決賽(截圖來自央視頻)。

      你以為你看到的是把發令槍?那你就真的被它的外觀所蒙蔽了,其實它就是個開關。

      這個紅色小手槍的真實名字叫電子啟動系統,當你扣動扳機,它會同時做三件事:燈光閃爍、發送計時啟動脈沖信號,同時啟動位于賽場上的多個揚聲器播放“槍聲”。它與2012年倫敦奧運上首秀的壓力感應起跑器和量子計時器保持時間同步。壓力感應起跑器內置傳感器,通過運動員施加在上面的蹬力來判斷每個運動員起跑的反應時間,從而消除了搶跑判斷的爭議。而量子計時器實則是一種原子鐘,用來測量比賽持續的時間。它由美國國家標準技術研究院開發,這家機構簡稱NIST,它所保持的標準時間叫做UTC(NIST),做時頻的人都知道,這家單位是美國參與國際原子時歸算的2家單位之一,所以人家可是來自時頻計量領域國家隊的,做科研之余,順便到商業圈打個醬油,小試牛刀。它使用激光冷卻原子,并把它們囚禁在電磁場中,計時精度可達1/1000000秒,即微秒量級(披露資料有限,關于它的工作機制只能寫道這里了)。

      這么炫酷的科技,在奧運賽場上能用得到嗎?當然用得到了,因為計時系統其實也是奧運賽場上重要的裁判員嘛。前面說了那么多如何解決終點計時誤差的問題,這不還有兩個起點計時誤差和時間測量精度的問題么,比如:如何判斷搶跑?如何解決聲音傳播的時延?如何將時間間隔分細分細再分細?我們知道普通人的大腦反應速度大概是0.2s,也就是說運動員聽到發令槍響后作出反應的時間不可能少于0.2s,如果是少于0.2s了,則就是搶跑了。另外,以田徑賽道為例,兩條田徑賽道之間的寬度為1.2米,8條賽道總寬9.6米。裁判發令槍響啟動比賽,聲音傳播速度340米/秒,則從最外側跑道傳至最內側跑道耗時接近0.03秒。所謂“失之毫厘,差之千里”,以去年東京奧運會蘇炳添參賽的男子百米決賽排名成績為例:金牌9.80秒,銀牌9.84秒,銅牌9.89秒,第四名9.93秒,第五名9.95秒,第六名蘇炳添9.98秒,會發現先后排名的時間差距在0.02~0.05秒之內。那么內外側賽道0.03秒的聲音傳播延遲,可能就會阻礙新飛人的誕生。所以量子計時器及其配套系統的出現,優化了整套計時系統,從根本上消除了起點和終點的計時誤差,并使計時精度得到進一步提升。

      說回到原子鐘。原子鐘可是世界上最精密的時間測量儀器,它的基礎是量子躍遷,即電子在不同能級之間的變換。電子從一個能級躍遷到另外一個能級,都會輻射出去一個光子,這個光子的振蕩頻率是固定的,比如銫133的一個振蕩頻率為9192631770Hz。利用原子的振蕩頻率可以制作出高精度的原子鐘,比如銫原子鐘、銣原子鐘、氫原子鐘等,其中銫原子噴泉鐘計時精度可以達到2000萬年不差一秒。有人可能會說了,人又活不了那么長,要這么高精度的鐘有什么用呢!此言差矣。航空航天任務、衛星導航定位等對時間精度要求非常高的地方都需要用到原子鐘,以衛星定位來說,衛星信號的傳播速度是3*108米/秒,所以時間上如果有0.01秒的誤差,則定位誤差為3000km,大致相當于上海到烏魯木齊的距離,更何談人們翹首以盼的需要分清左右車道的無人駕駛技術呢?,F在,奧運會也用上了最精密的計時儀器,亦可謂是把計時做到了極致,守護了公平與公正的奧林匹克精神。但是科學探索無止境,在“更快、更高、更強、更團結”的奧林匹克格言的感召下,競技體育挑戰亦無止境,科技領域每一次革命性的創新,都會引發無限可能,期待未來科技進步會進一步刷新高精度時間頻率在社會民生領域應用的深度和廣度,讓科技造福于百姓的美好生活!

      參考文獻:swatch group官網

      《北京時間》李孝輝 竇忠 趙曉輝

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