愛因斯坦預言再次應驗!研究:相距1毫米,時間差1000億億分之一

网瘾少女 2022/11/21 檢舉 我要評論

根據頂級科學期刊《自然》(Nature)發表的一篇封面論文[1],物理學家通過極為精確的原子鐘發現,高度僅僅高了1毫米,時間也會走快1000億億分之一,這再次以極高的精度證實了愛因斯坦百年前的預言。

宇宙中的時間并非像牛頓想的那樣是絕對一致的,根據愛因斯坦的狹義相對論,時間在運動參照系中會變慢,這被稱為時間膨脹效應。速度越接近光速,時間走得越慢,越接近于停止。除了速度之外,引力也會影響時間的流逝速率,這究竟是為什麼呢?

引力我們都很熟悉,我們每個人都受到地心引力的作用,被束縛在地球表面。地球被太陽束縛住,不會游蕩到星際空間中。同樣地,太陽被銀河系束縛住,不會流浪到星系際空間中。這些現象的背后都是引力在起作用。

17世紀,牛頓發現了萬有引力定律,給出了引力公式,兩個物體之間的引力正比于它們的質量之積,反比于它們之間距離的平方。萬有引力定律成功解釋了天體運動,并且還能預言第八大行星(海王星)的存在。

雖然萬有引力定律取得了前所未有的成功,但卻并不完美。作為太陽系最內側的行星,水星在繞著太陽公轉時,近日點會有明顯的進動。水星每繞太陽轉一圈,都不會回到原來的位置,前后兩個恒星年的公轉軌道無法完全重合。

根據觀測結果,在100年的時間里,水星的近日點進動與萬有引力定律預言的數值相差了43角秒。平心而論,這個偏差其實非常小,100年才差了0.01194度,差不多是1/84度,離1度還差得遠。

但如此小的誤差也說明,牛頓的萬有引力定律存在缺陷,它并不是終極的引力理論。這個問題直到1915年,愛因斯坦完成廣義相對論后,才得到完美解決。

愛因斯坦對引力的解釋完全不同于牛頓,愛因斯坦不認為引力是一種純粹的新引力,取而代之的是一種幾何效應。根據廣義相對論,物體甚至是能量都會讓原本平直的空間發生彎曲,物體在彎曲空間中運動,就有互相靠近的趨勢,從而看起來就像是一種吸引力。

愛因斯坦的廣義相對論完美地解釋了水星問題,而且還預言了諸多未知的引力現象,包括引力透鏡效應、引力波、黑洞、引力以光速傳播,這些現象都在后來的觀測中一一得到完美證實。

廣義相對論預言,物體除了會讓空間發生彎曲之外,還會讓時間扭曲。在引力越強的地方,時間過得越慢,這就是引力時間膨脹效應,物理學家早已通過實驗證實了這一預言。

1971年,物理學家把銫原子鐘置于飛機上,讓它與地面上的另一架銫原子鐘進行對比。理論上,飛機在萬米空中飛行時,距離地心更遠,所受引力更弱,上面的時間應該過得更快。

即便考慮到飛機速度更快,時間會相對更慢,但最終還是引力時間膨脹效應占據上風。總體而言,飛機上的時間流逝速率會快于地面上,最終的實驗結果證實了這一點,與廣義相對論的預言完全吻合。

而根據這項最新研究,美國科羅拉多大學物理學家、中科院外籍院士葉軍率領的研究團隊,以前所未有的精度來驗證廣義相對論。通過激光冷卻技術,物理學家利用鍶原子研制出了光晶格鐘,精度比此前提高了50倍。

物理學家把兩個光晶格鐘放置在不同的高度,相差僅僅只有1毫米。實驗結果表明,高度更高的原子鐘走快了0.0000000000000000001,也就是1000億億分之一(1/10^19),這與廣義相對論的預言完全符合。

在生活中,如此小的時間差異我們不可能感知出來,而且也毫無意義。但在高精尖的航天領域,愛因斯坦的相對論將會大顯神通,必須要考慮相對論效應帶來的影響。

以運行在地球同步軌道上的導航衛星為例,根據相對論,那里的時間每天會比地面上走快38微秒。雖然只有0.000038秒的誤差,但由于信號以光速傳播,累計一天后,定位誤差可以超過10公里。因此,相對論效應其實關乎到我們的日常生活。

如果未來人類能夠制造出蟲洞,實現星際飛行,去到擁有極端引力的天體附近,比如黑洞,那麼,太空旅行者的時間將會被大幅度放慢,越接近黑洞表面,時間越趨于靜止。

如果太空旅行者在黑洞附近過一個月,然后再返回地球,這時會發現地球上的時間已經過了很多年,有可能是成百上千年之后。當時出發時的那些地球親友都可能早已不在,而對于太空旅行者來說,時間才過了一個月,他們與當時并沒有什麼變化。

參考文獻

[1] Tobias Bothwell, Colin J. Kennedy, Jun Ye, et al. Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample, Nature, 2022, 602, 420-424.

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