愛因斯坦又對了!世界上最精確的時鐘證實:低1毫米時間也會變慢

說出來你可能不信,在地球上,住的樓層越低,時間就過得越慢。

雖然聽起來像是玄學,但這卻是科學結論,已經被科學家用可以高精度計時的原子鐘驗證過。

愛因斯坦的偉大,相信很多人都知道,他最著名的科學理論就是相對論。相對論分為狹義相對論和廣義相對論。廣義相對論認為物質的存在能夠影響時空,並得出一個結論:引力場越強,時間越慢。住的樓層越低,地球的引力場也就越強,所以才有低樓層比高樓層時間過得更慢一點的結論。

不過這種時間變化十分微小,普通的計時器根本測不出來,要用原子鐘。

2022年2月,世界知名科學雜誌《自然》上分別刊登了美國研究團隊的最新研究成果,文章顯示,這個研究團隊分別利用鍶原子鐘首次在毫米尺度驗證了廣義相對論中的時間膨脹效應。

實驗證實,在毫米尺度上,廣義相對論也是正確的。由于不同引力場區域的時間流逝速度是不同的,這次實驗測得,在地球上高度相差一毫米,其中低一毫米的那個原子鐘的時間會比另一個慢一千億億分之一。即1毫米高度差,會產生一千億億分之一的時間差。

該研究團隊來自于美國天體物理聯合實驗室(JILA)。這個實驗室由美國國家標準與技術研究所(NIST)與美國科羅拉多大學博爾德分校聯合運營。

據JILA團隊成員葉軍(華裔物理學家、美國科學院院士、中科院外籍院士)介紹,JILA團隊之所以能在毫米尺度驗證廣義相對論,就是因為採用了這種現在世界上計時精度最高的時鐘。他們讓鍶原子鐘達到了非常精確的程度,從宇宙誕生至今的138億年時間裡,誤差還不到0.1秒。

而在2010年,NIST的物理學家已經利用原子鐘在33公分的尺度上驗證了廣義相對論中的這一結論。

原子鐘是一種非常精確的計時器,誕生于上世紀50年代,它的誕生源于拉比及其學生對于磁共振的研究。不管是哪種計時儀器,本質上都是利用週期運動來計時。在一定條件的磁作用下,氫、銫、銣等原子會發生超精細躍遷,這種躍遷會輻射出一定頻率的電磁波,利用這種頻率就能進行十分精確的計時。在此之前,世界上最精確的計時器是利用石英晶體的振動頻率來計時。它的精度雖然遠沒有原子鐘高,但在日常生活中還是比較實用的,比如電子錶用的就是它。

現代國際單位制中,在轉動的大地水平面上,處于基態的銫-133原子的兩個超精細能級間躍遷時對應輻射的9192631770個週期的持續時間,被定義為一秒。

那麼科學家是如何在1毫米的尺度上利用原子鐘測量時間差異的呢?

據介紹,葉軍團隊利用6束鐳射先後將10萬個鍶原子冷卻,並利用紅外鐳射使之維持在超冷狀態,並裝入光學晶格中,構成原子團。然後再通過一定頻率的鐳射,激發原子團,並測量不同區域發出的光的頻率。

根據廣義相對論,引力場越強,不僅時間會變慢,就連光的頻率也會發生改變。在引力的作用下,光的頻率會發生紅移,即頻率變低波長變長,這被叫作引力紅移。引力場越強,這種紅移量也就越大。

在這次實驗中,研究人員並沒有使用兩個獨立的原子鐘,而是通過測量同一個原子團中兩個僅相差一毫米的區域所發出的電磁波在地球引力場中的紅移量,來間接測量時間。

科學家很早就知道廣義相對論是正確的,那為什麼還樂此不疲地不斷驗證?

其實,科學之所以是人類認知世界最靠譜的方式,就在于它的嚴謹性,所有科學結論都可以通過實驗進行驗證。實驗精度越高,反而更能證明該理論的正確性。

此次對廣義相對論更為精確的驗證,美國科學家所採用的超高精度的原子鐘,才是最值得注意的。GPS的應用就有廣義相對論的功勞,原子鐘精度的提高,也有望提高GPS的精度。

由于引力在小尺度空間上十分微弱,在以往非常難以測量。現在這種使用同一個原子鐘在微小尺度下進行高精度測量的技術,或許有助于人類研究暗物質與普通物質的相互作用,以及引力波等。


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