有史以来最精确的原子钟再次证明爱因斯坦是正确的

在人类历史的大部分时间里，我们都是按照地球在太空中的位置来计时的。第二个是地球日的细分，后来是地球年：时间跨度由地球的位置定义。然后出现了原子钟。

科学家深入研究了铯元素的原子，其中一种称为超精细跃迁的过程会发射和吸收微波，科学家可以借助振动的石英晶体非常精确地计时。这奠定了科学家今天测量时间的基础，并使他们能够在 1967 年制定出更准确的秒定义。

半个多世纪以来，这一定义没有发生重大变化，用于制定这一定义的原子钟的计时也没有发生重大变化。自恐龙灭绝以来，这些时钟不会差一秒。但更好的原子钟已经出现，它们不仅能计时，而且也是很好的物理工具。

现在，两个不同的研究小组已经发明了可以测量时钟内部细微物理现象的时钟。研究小组于 2 月 16 日在《自然》杂志上发表了两篇不同的论文，分别发表了各自的研究成果。这些新时钟可以测量爱因斯坦的一项预测——引力引起的时间膨胀——迄今为止最小的尺度。

此类尖端原子钟既不使用铯也不使用石英。相反，它们的基础是超冷锶原子的薄饼状结构。它们的操作员可以使用发射可见光的激光来控制原子。因此，它们被称为“光学钟”。

威斯康星大学麦迪逊分校就有一个这样的光学时钟。该时钟在同一结构中装有六个锶饼（实际上是六个较小的时钟）。（这个数字没有什么特别之处；他们可以多加或少加。“六个有点随意，”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家 Shimon Kolkowitz 说。）

麦迪逊时钟可以在 3000 亿年内将时间精确到秒——比宇宙的年龄长 20 多倍。这本来可以创下世界纪录，但这个时钟甚至不是最强大的。它被 JILA 的另一个多时钟超越，JILA 是美国国家标准与技术研究所 (NIST) 和科罗拉多大学博尔德分校的联合项目。

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在同一台设备中安装多个“时钟”并不一定有助于计时。（例如，你看哪个时钟？）但它们确实允许你相互比较时钟。由于这些时钟非常非常精确，它们可以测量一些非常精确的物理现象。例如，博尔德团队可以在一台设备内测试时间膨胀。

JILA 和 NIST 的研究生托拜厄斯·博思韦尔 (Tobias Bothwell) 表示：“到目前为止，这都是通过比较不同距离上的不同时钟发现的东西。”

根据相对论，当你接近光速时，速度越快，时间就越慢。引力场也会导致同样的减速：引力场越强，时间膨胀就越大。以地球为例。你越靠近地心，地球引力对你拉的力就越大，你经历的时间膨胀就越大。

事实上，你感受到的时间比头顶上的鸟儿慢，而你脚下的东西感受到的时间实际上也比你慢。地球的核心实际上比地壳年轻 2.5 年。这听起来可能很多，但与我们星球 46 亿年的历史相比，这甚至算不上沧海一粟。然而，几十年来，科学家们一直在测量这些微妙的差异，使用从伽马射线到无线电信号到火星，甚至原子钟等各种仪器。

1971 年，两位科学家在商业航班上携带原子钟，并将它们飞往世界各地，一个方向一个方向。他们测量到几百纳秒的细微差异，与预测相符。2020 年，科学家在东京晴空塔使用了两台时钟，一台比另一台高 1,480 英尺，发现了差异，再次证明爱因斯坦是正确的。

这些实验表明相对论是普遍适用的。“基本上，地球上任何地方都是一样，”JILA 和 NIST 的研究生 Alexander Aeppli 说。“如果你能在这里测量一厘米，你就能在另一个地方测量一厘米。”

NIST 已经将精度提高到了厘米级。2010 年，NIST 的科学家使用相距约一英尺的不同时钟进行了类似的测量。

在一项新研究中，单个设备中的两个锶薄饼之间的距离更小：大约一毫米。经过 90 小时的数据收集，博尔德团队能够辨别光线中的细微差别，使测量结果比以往任何测量结果都精确 50 倍。

博思韦尔说，他们之前测量的记录是观察到光膨胀（光频率的差异）达到小数点后 19 位。“现在，我们已经达到 21 位……通常，当你移动一位小数时，你会很兴奋。但我们很幸运，我们可以移动两位小数。”

科尔科维茨表示，这些结果是“非常美丽和令人兴奋的结果”。

但未参与 NIST 研究的 Kolkowitz 表示，NIST 的时钟有一个缺点：它不太容易带出实验室。“NIST 团队拥有世界上最好的激光器，但它不太便携，”他说。

他认为这两个团队的工作是相辅相成的。博尔德时钟可以以更高的精度测量时间和其他物理特性。同时，他认为，与麦迪逊时钟类似的更便携的时钟可以携带到许多地方，包括进入太空寻找暗物质或引力波。

虽然证明基础物理学像爱因斯坦和他的朋友们认为的那样运作是很酷的事情，但这种科学实际上在现实世界中也有不少应用。例如，导航可以从更精确的时钟中受益；GPS 必须校正时间膨胀。测量时间膨胀的强度可以让你更精确地测量引力场，例如，这可以观察地球表面之下的情况。

“你可以观察地球下的岩浆柱，然后也许就能知道火山什么时候会喷发，”埃普利说道，“诸如此类。”

2022 年 3 月 2 日更正：本文的先前版本称，地球的核心比地壳大约老 2.5 年。事实上，由于引力时间膨胀，地核比地壳年轻 2.5 年。