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計量論壇

標題: 科學家造有史以來最精確鐘驗證時空扭曲理論 [打印本頁]

作者: 上帝 時間: 2010-10-11 18:32
標題: 科學家造有史以來最精確鐘驗證時空扭曲理論
新聞來源:騰訊網
今年2月份，科學家們制造出了有史以來“最精確的鐘”，并測量出了高度相差1米的兩個位置間的時間差。相關研究刊登在近期的《科學》雜志上。探索頻道年度大片《和霍金一起探索宇宙》正在北京電視臺青少頻道播出。在片中，史蒂芬·霍金如此描述時空扭曲理論：離金字塔近的人，時間如靜止，離金字塔遠的人，時間如飛逝。因為根據“相對論”，距離引力大的物體越近，時間過得也越慢，反之則越快?；艚鹱约阂苍鲞^如此比喻：站在樓上的人，要比樓下的人老得更快一點。
這些通俗易懂的畫面看著有趣，卻把時間差夸大了無數倍。而現實生活中，你的肚臍所經歷的時間，和你的鼻子所經歷的時間真的有所不同嗎？今年2月份，科學家們制造出了有史以來“最精確的鐘”，并測量出了高度相差1米的兩個位置間的時間差。相關研究刊登在近期的《科學》雜志上。

速度和引力影響時間

愛因斯坦認為，時空相互交織，時間在不同的場合會發生不同的變化，時間可能會受到一些因素的影響，比如引力和速度。簡單來說，鐘表運動時，比不運動時運行更慢。此外，引力越強，鐘表也跑得越慢。

在“狹義相對論”中，光速是絕對一致的，永遠不會發生改變，會改變的是時間和重力。在宇宙中，一個物體運動得越快，時間就流失得越慢。這個理論延伸出了很多著名的思想實驗的基礎，比如說著名的“雙胞胎悖論”——有一對雙胞胎，其中弟弟留在地球上，哥哥則乘坐光速宇宙飛船前往遙遠的太空，當他回來的時候，會發現自己的弟弟已經垂垂老矣。

而根據廣義相對論，愛因斯坦同樣預測引力和時間之間存在密切關系：引力場會拖時間的“后腿”，讓時間放緩。引力越大，時間就會過得越慢。因此，當接近一個質量很大的物體如地球時，時間也會變慢。

在《和霍金一起探索宇宙》中，霍金用了兩個假想場面解釋愛因斯坦這兩套相對論：一個是假想的環繞地球的快速火車?；疖囋介_越快，直到接近光速，此時，火車里的人的時間簡直可以用“度日如年”來形容，在假想中接近光速的狀態下，鐘表的振蕩將發生了十分明顯的變化；另一個假想是一艘宇宙飛船從地球出發，飛到宇宙黑洞邊緣，飛船駕駛者技術過硬，剛剛好停留在極端靠近黑洞卻又不會被黑洞吸入的位置上，此時飛船上的鐘表的振蕩也發生了明顯的改變。

世界上最精準的鐘

不過，無論是能以亞光速行進的火車，還是能接近黑洞的飛船，都只是美好的幻想而已。但還是有一些設備能夠驗證愛因斯坦的引力時間理論。其中最典型的就是將地球表面的時鐘與人造衛星上的精確時鐘進行比較。衛星系統不僅遠離地球，而且還以幾千千米的時速運行著。我們每天用的全球定位系統依賴于這些人造衛星，上面時鐘的時間就比地球上的鐘略微快一點。

此外，科學家也早就通過地面上和高速飛行噴氣飛機中的原子鐘發生的變化證實了運動和時間的關系。

但是，衛星系統的時鐘差別并非科學實驗，并沒有真正通過實驗數據證明相對論；而運動中原子鐘的變化則必須放到高速飛行的飛機上才能觀測到。不過，現在科學家在一個超級精確的原子鐘的幫助下，觀測到了低速（秒速10米），以及高度差1米的情況下，時間所發生的變化。這項研究由美國標準技術研究院（NIST）進行，相關論文刊登在近期的美國《科學》雜志上。此次研究也是第一次在地面上就證實了引力和時間的關系。實驗結果完全在科學家們的意料之內，愛因斯坦的理論早已被廣泛地認可，但實驗最特別的就在于這個原子鐘的精確性。

原子鐘是世界上最精確的時鐘。常用的原子鐘使用銫原子。后來，美國科學家開始用汞離子來制作更精確的原子鐘。今年2月份，科學家們造出一臺使用鋁離子的原子鐘。它比汞離子制作的還要精確兩倍以上，成為有史以來“最精確”的鐘。這個原子鐘的制造者在《物理評論》上發表論文稱，即使再過去37億年，它的誤差都不會超過1秒。

測地學將受益

借助超級精準的原子鐘，NIST的科學家們得以測量愛因斯坦理論中的兩個著名的假想場面。

首先，他們設計了兩架一模一樣的超精確原子鐘，放在同樣的高度上。把其中一架鐘抬高僅33厘米，兩架鐘就顯示出了不同的時間差，顯示它們所受重力出現了差異。位置較低的原子鐘比位置高的原子鐘運行得更慢，大約每隔79年會慢900億分之一秒。當然，對普通人來說這種影響幾乎微乎其微。

科學家們隨后又做了另一項實驗，他們通過對鋁離子施加不斷變化的電磁場，使其發生快速往復運動，相當于每秒運動了好幾米，而另一個原子鐘的鋁離子則保持靜止。結果，運動著的原子鐘，其時間運行也略微緩慢了一些。這個實驗證明了“雙胞胎悖論”，運動越快，時間就越慢。

這項實驗的結果可能會有實際的作用?？茖W家探測地球磁場的地理振動時，對測量精度的要求很高，并借由測量數據了解一些重要的信息，比如地球上的水是怎么分布的，河流是如何流動的。在理想狀態下，科學家可以在世界各地擺滿精確無比的原子鐘，通過測量時間的不同來查看重力的不同。

此外，這兩個實驗提供的不同海拔時間差異的具體數據，還可以用于調整全球定位系統（GPS）衛星上所攜帶的時鐘，令其更為精準。

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