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科学家造有史以来最精确钟 验证时空扭曲理论

2010-10-18
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科学家造有史以来最精确钟 验证时空扭曲理论

2010年10月10日 新京报
  探索频道年度大片《和霍金一起探索宇宙》正在北京电视台青少频道播出。在片中,史蒂芬·霍金如此描述时空扭曲理论:离金字塔近的人,时间如静止,离金字塔远的人,时间如飞逝。因为根据“相对论”,距离引力大的物体越近,时间过得也越慢,反之则越快。霍金自己也曾做过如此比喻:站在楼上的人,要比楼下的人老得更快一点。

  这些通俗易懂的画面看着有趣,却把时间差夸大了无数倍。而现实生活中,你的肚脐所经历的时间,和你的鼻子所经历的时间真的有所不同吗?今年2月份,科学家们制造出了有史以来“最精确的钟”,并测量出了高度相差1米的两个位置间的时间差。相关研究刊登在近期的《科学》杂志上。

  速度和引力影响时间

  爱因斯坦认为,时空相互交织,时间在不同的场合会发生不同的变化,时间可能会受到一些因素的影响,比如引力和速度。简单来说,钟表运动时,比不运动时运行更慢。此外,引力越强,钟表也跑得越慢。

  在“狭义相对论”中,光速是绝对一致的,永远不会发生改变,会改变的是时间和重力。在宇宙中,一个物体运动得越快,时间就流失得越慢。这个理论延伸出了很多著名的思想实验的基础,比如说著名的“双胞胎悖论”——有一对双胞胎,其中弟弟留在地球上,哥哥则乘坐光速宇宙飞船前往遥远的太空,当他回来的时候,会发现自己的弟弟已经垂垂老矣。

  而根据广义相对论,爱因斯坦同样预测引力和时间之间存在密切关系:引力场会拖时间的“后腿”,让时间放缓。引力越大,时间就会过得越慢。因此,当接近一个质量很大的物体如地球时,时间也会变慢。

  在《和霍金一起探索宇宙》中,霍金用了两个假想场面解释爱因斯坦这两套相对论:一个是假想的环绕地球的快速火车。火车越开越快,直到接近光速,此时,火车里的人的时间简直可以用“度日如年”来形容,在假想中接近光速的状态下,钟表的振荡将发生了十分明显的变化;另一个假想是一艘宇宙飞船从地球出发,飞到宇宙黑洞边缘,飞船驾驶者技术过硬,刚刚好停留在极端靠近黑洞却又不会被黑洞吸入的位置上,此时飞船上的钟表的振荡也发生了明显的改变。

  世界上最精准的钟

  不过,无论是能以亚光速行进的火车,还是能接近黑洞的飞船,都只是美好的幻想而已。但还是有一些设备能够验证爱因斯坦的引力时间理论。其中最典型的就是将地球表面的时钟与人造卫星上的精确时钟进行比较。卫星系统不仅远离地球,而且还以几千千米的时速运行着。我们每天用的全球定位系统依赖于这些人造卫星,上面时钟的时间就比地球上的钟略微快一点。

  此外,科学家也早就通过地面上和高速飞行喷气飞机中的原子钟发生的变化证实了运动和时间的关系。

  但是,卫星系统的时钟差别并非科学实验,并没有真正通过实验数据证明相对论;而运动中原子钟的变化则必须放到高速飞行的飞机上才能观测到。不过,现在科学家在一个超级精确的原子钟的帮助下,观测到了低速(秒速10米),以及高度差1米的情况下,时间所发生的变化。这项研究由美国标准技术研究院(NIST)进行,相关论文刊登在近期的美国《科学》杂志上。此次研究也是第一次在地面上就证实了引力和时间的关系。实验结果完全在科学家们的意料之内,爱因斯坦的理论早已被广泛地认可,但实验最特别的就在于这个原子钟的精确性。

  原子钟是世界上最精确的时钟。常用的原子钟使用铯原子。后来,美国科学家开始用汞离子来制作更精确的原子钟。今年2月份,科学家们造出一台使用铝离子的原子钟。它比汞离子制作的还要精确两倍以上,成为有史以来“最精确”的钟。这个原子钟的制造者在《物理评论》上发表论文称,即使再过去37亿年,它的误差都不会超过1秒。

  测地学将受益

  借助超级精准的原子钟,NIST的科学家们得以测量爱因斯坦理论中的两个著名的假想场面。

  首先,他们设计了两架一模一样的超精确原子钟,放在同样的高度上。把其中一架钟抬高仅33厘米,两架钟就显示出了不同的时间差,显示它们所受重力出现了差异。位置较低的原子钟比位置高的原子钟运行得更慢,大约每隔79年会慢900亿分之一秒。当然,对普通人来说这种影响几乎微乎其微。

  科学家们随后又做了另一项实验,他们通过对铝离子施加不断变化的电磁场,使其发生快速往复运动,相当于每秒运动了好几米,而另一个原子钟的铝离子则保持静止。结果,运动着的原子钟,其时间运行也略微缓慢了一些。这个实验证明了“双胞胎悖论”,运动越快,时间就越慢。

  这项实验的结果可能会有实际的作用。科学家探测地球磁场的地理振动时,对测量精度的要求很高,并借由测量数据了解一些重要的信息,比如地球上的水是怎么分布的,河流是如何流动的。在理想状态下,科学家可以在世界各地摆满精确无比的原子钟,通过测量时间的不同来查看重力的不同。

  此外,这两个实验提供的不同海拔时间差异的具体数据,还可以用于调整全球定位系统(GPS)卫星上所携带的时钟,令其更为精准。

  编译/本报记者 金煜
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