科學家發現毫米級“時間膨脹”

2021年9月，美籍華裔科學家葉軍發明的“光學晶格時鐘”，是人類迄今為止製造的最精確的計時裝置。圖片來源 視覺中國

編譯 顧海波

愛因斯坦的廣義相對論中，有一個聞名遐邇卻又不可思議的見解：強引力場或者難以置信的高速可以扭曲時間，這種效應被稱為時間膨脹。例如，宇宙飛船上的時鐘可能比地球上的時鐘走得稍快或稍慢，這取決於它們的速度和地球的引力對時間的扭曲效應如何。

現在，在美國國家標準與技術研究所和科羅拉多大學博爾德分校聯合運作的JILA項目中，科學家們取得了一項重大突破：他們用世界上最精確的時鐘，在有史以來最小的尺度內，測量到了時間膨脹。該研究小組發現，由於地球引力的影響，相距僅1毫米的時鐘，顯示的時間有輕微不同。

根據2月16日發表在美國《自然》雜誌上的一項研究，這項新實驗為研發精度比現有水平提升50倍的時鐘鋪平了道路，也為揭示宇宙的基本奧秘提供了線索。

“這意味着時鐘的精度更好了。”JILA物理學家、該研究的合著者葉軍對北美青年文化平台VICE説。“時間和空間是相互關聯的。相對論告訴我們，時間就是空間，空間就是時間，而時間是相對的。沒有絕對的時間概念。”

幾年來，美籍華裔科學家葉軍和在JILA的同事們通過設計更精確的原子鐘，把計時和廣義相對論研究的前沿不斷向前推進。在這些時鐘中，鐘擺的角色是由原子中電子的頻率變化來扮演的，這些電子被精心排列在旨在控制其混亂的能量和運動的晶格中。這些創新使原子鐘成為迄今為止最精確的計時工具，每150億年的誤差只有1秒鐘。

2010年，JILA的科學家們用這些時鐘，測量到了海拔高度相差33釐米的兩點間的時間膨脹，這在當時是個很大的進步。對他們的時鐘進行了10年的改進之後，科學家們成功跟蹤到了極冷鍶原子樣本內的頻率變化，這使他們能夠捕捉到毫米級的時間膨脹效應。

更重要的是，該團隊成功地讓這些原子以一致的步調“舞動”了37秒，創造了“量子相干”持續時長的新紀錄。

“第一天，當我們開始看到這麼長的相干時間時，簡直不敢相信。”葉軍回憶説。“量子相干聽起來非常微觀……但37秒，是半分多鐘，這是一個非常宏觀的時間尺度，一個‘人類’的時間尺度，這真是不可思議……這就是我們正在談論的這場量子革命的本質。”

把微觀的量子現象帶入宏觀的世界中，可以幫助科學家探索科學界重大的、懸而未決的問題。例如，幾十年來，研究人員一直在努力使廣義相對論與量子力學相一致，前者控制着由恆星和星系組成的宇宙，後者為原子內部的微小領域設定了規則。隨着原子鐘變得越來越精確，科學家們將能夠真正看到穿越時空曲率的原子波，而這正是經典世界和量子世界的衝突之處。

“這是我們從未探索過的物理學領域。”葉軍説，如果這些時鐘的精度能再提高20倍，“我們將進入一個非常、非常有趣的領域”，將產生“當量子力學最終與廣義相對論相遇時的新見解”。

越來越精確的時鐘，用途數不勝數：從預測火山爆發到測量海平面上升，再到太空探索。

“我們經常開玩笑説：‘我們健康地活了100年，在這期間，你的頭比腳老大約半微秒。’”葉軍説。“這在生物學上是很微小的，誰會在乎一生中的半微秒呢？但在測量地球如何變化，以及駕駛飛船登陸火星或其他遙遠的行星方面，就不一樣了。這一切都是基於這種精確的信息時間。”

來源：中國青年報客户端