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(wǎng)
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(jù)“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。霍金自己也曾做過如此比喻：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(shù)倍。而現(xiàn)實生活中，你的肚臍所經(jīng)歷的時間，和你的鼻子所經(jīng)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(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)自己的弟弟已經(jīng)垂垂老矣。

而根據(jù)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(huán)繞地球的快速火車。火車越開越快，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(tài)下，鐘表的振蕩將發(fā)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(fā)，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(fā)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(wèi)星上的精確時鐘進行比較。衛(wèi)星系統(tǒng)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(tǒng)依賴于這些人造衛(wèi)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(fā)生的變化證實了運動和時間的關系。

但是，衛(wèi)星系統(tǒng)的時鐘差別并非科學實驗，并沒有真正通過實驗數(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)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。科學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(shù)據(jù)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(tài)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(shù)據(jù)，還可以用于調整全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星上所攜帶的時鐘，令其更為精準。