最精准铝原子钟展示爱因斯坦相对论

2010-9-27 10:31 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网9月23日报道,美国国家标准技术研究院(NIST)的物理学家使用一对世界上最精确的原子钟,揭示了日常生活中的“时间膨胀”效应。研究表明,离地球重力源越远,时间过得越快。虽然这种差异很难被人觉察,但却从更贴合实际的层面证明了爱因斯坦相对论的准确性。研究发表在24日出版的《科学》杂志上。

  验证“时间膨胀”效应

  爱因斯坦相对论预测过两种情况:其一是,当两个时钟位于地球表面不同海拔高度时,其受到的地球重力也不同。位于海拔更高处的时钟,受到的重力更小,运行的速度更快,因此,时间也过得更快。以前,科学家们通过比较分别位于地球表面和快速飞行的火箭上的时钟证明了这一点。

  第二个场景被科学家称为“双胞胎悖论”:双胞胎中的一位乘火箭以近光速飞行了几个月,回来后发现兄弟已垂垂老矣。以前,科学家们使用喷气式飞机验证了这一点。

  现在,NIST物理学家詹姆斯·周勤文(音译)领导的研究团队在实验室中从日常生活层面验证了这两种场景。

  在一个实验中,研究人员将放置原子钟的两个桌子中的一个桌面升高了33厘米,发现位置低的原子钟比位置高的原子钟运行得更慢,79年内大约慢了900亿分之一秒。这一结果论证了爱因斯坦关于距离重力源越远、时钟运转越快的理论。    

  在第二个实验中,研究团队对铝原子钟内的铝离子施加不断变化的电磁场,使其快速往复运动,结果显示,运动中的铝原子钟所示时间慢于静止的铝原子钟。这一结果论证了爱因斯坦有关速度越快,时间越慢的理论。

  全球最精准原子钟

  今年初,为完成这项实验,周勤文团队首先研制出了一对超精准的原子钟,这种原子钟以单粒铝离子的滴答响声为基准。其中一个原子钟是目前全球最精确的计时工具,其精准度为运行37亿年内误差不超过1秒。而另外一个原子钟则差一点。研究人员将这两个原子钟置于NIST不同的实验室,并且使用75米长的光纤将其连接在一起。

  NIST的铝原子钟,也被称为“量子逻辑钟”,因为它们的原理来源于实验室量子计算机的逻辑决策制定技术。这种原子钟由激光所操作,照射在铝离子上的激光频率比目前基于铯原子标准的原子钟上使用的微波频率高,因此,其准确度也更高。

  研究人员表示,虽然这两种场景中时间快慢的差异微乎其微,但是,其在测地学等领域将存在实际的用途,比如,这对超精确的原子钟在不远的将来可以帮助科学家测量地质震动;也可以用于地球物理学和水文学中,用来测试基本的物理理论等。

  《科学》杂志网站指出,这两个实验提供的不同海拔时间差异的具体数据,可用于调整全球定位系统(GPS)卫星所携带的时钟,使之更加精准。

  科学家们希望通过改变离子收集器的几何形状、更好地控制铝离子的运动以及环境干扰,最终将铝原子钟的精度提高10倍。