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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(xué)，但這卻是科學(xué)結(jié)論，已經(jīng)被科學(xué)家用可以高精度計時的原子鐘驗(yàn)證過。  愛因斯坦的偉大，相信很多人都知道，他最著名的科學(xué)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(rèn)為物質(zhì)的存在能夠影響時空，并得出一個結(jié)論：引力場越強(qiáng)，時間越慢。住的樓層越低，地球的引力場也就越強(qiáng)，所以才有低樓層比高樓層時間過得更慢一點(diǎn)的結(jié)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(xué)雜志《自然》上分別刊登了美國研究團(tuán)隊的最新研究成果，文章顯示，這個研究團(tuán)隊分別利用鍶原子鐘首次在毫米尺度驗(yàn)證了廣義相對論中的時間膨脹效應(yīng)。  實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在毫米尺度上，廣義相對論也是正確的。由于不同引力場區(qū)域的時間流逝速度是不同的，這次實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生一千億億分之一的時間差。 該研究團(tuán)隊來自于美國天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（JILA）。這個實(shí)驗(yàn)室由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合運(yùn)營。  據(jù)JILA團(tuán)隊成員葉軍（華裔物理學(xué)家、美國科學(xué)院院士、中科院外籍院士）介紹，JILA團(tuán)隊之所以能在毫米尺度驗(yàn)證廣義相對論，就是因?yàn)椴捎昧诉@種現(xiàn)在世界上計時精度最高的時鐘。他們讓鍶原子鐘達(dá)到了非常精確的程度，從宇宙誕生至今的138億年時間里，誤差還不到0.1秒。 而在2010年，NIST的物理學(xué)家已經(jīng)利用原子鐘在33厘米的尺度上驗(yàn)證了廣義相對論中的這一結(jié)論。 原子鐘是一種非常精確的計時器，誕生于上世紀(jì)50年代，它的誕生源于拉比及其學(xué)生對于磁共振的研究。不管是哪種計時儀器，本質(zhì)上都是利用周期運(yùn)動來計時。在一定條件的磁作用下，氫、銫、銣等原子會發(fā)生超精細(xì)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(jìn)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(yuǎn)沒有原子鐘高，但在日常生活中還是比較實(shí)用的，比如電子表用的就是它。  現(xiàn)代國際單位制中，在轉(zhuǎn)動的大地水平面上，處于基態(tài)的銫-133原子的兩個超精細(xì)能級間躍遷時對應(yīng)輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間，被定義為一秒。 那么科學(xué)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(jù)介紹，葉軍團(tuán)隊利用6束激光先后將10萬個鍶原子冷卻，并利用紅外激光使之維持在超冷狀態(tài)，并裝入光學(xué)晶格中，構(gòu)成原子團(tuán)。然后再通過一定頻率的激光，激發(fā)原子團(tuán)，并測量不同區(qū)域發(fā)出的光的頻率。  根據(jù)廣義相對論，引力場越強(qiáng)，不僅時間會變慢，就連光的頻率也會發(fā)生改變。在引力的作用下，光的頻率會發(fā)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(qiáng)，這種紅移量也就越大。  在這次實(shí)驗(yàn)中，研究人員并沒有使用兩個獨(dú)立的原子鐘，而是通過測量同一個原子團(tuán)中兩個僅相差一毫米的區(qū)域所發(fā)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(xué)家很早就知道廣義相對論是正確的，那為什么還樂此不疲地不斷驗(yàn)證？ 其實(shí)，科學(xué)之所以是人類認(rèn)知世界最靠譜的方式，就在于它的嚴(yán)謹(jǐn)性，所有科學(xué)結(jié)論都可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)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(yàn)證，美國科學(xué)家所采用的超高精度的原子鐘，才是最值得注意的。GPS的應(yīng)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(xiàn)在這種使用同一個原子鐘在微小尺度下進(jìn)行高精度測量的技術(shù)，或許有助于人類研究暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的相互作用，以及引力波等。 |
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