爱因斯坦又对了?哪怕只是相差1毫米,时间也会发生膨胀( 二 )


为了保证伽马射线能够最大程度地聚集 , 实验者们使用了一个装满氦气的聚酯薄膜袋来防止散射 。
另外下方还有一个闪烁计数器铁样品用于监测未接受样品中的伽马射线 。

通过震动扬声器锥体 , 伽马射线源以不同的速度进行移动 , 由此便产生了不同的多普勒频移 。
当多普勒频移抵消了引力蓝移时 , 接收样品吸收伽马射线 。
此时闪烁计数器监测到的伽马射线数量相应会下降 。
整个实验带来了两个结果 , 考虑到其中存在系统误差 。
庞德经过计算之后得到了具体的实验结果 。
塔顶源和塔底源的频移的频移幅度相同 , 但符号相反 , 减去结果时 , 两人发现结果是单项实验的两倍 。

实验最终在广义相对论10%的水平中证明了引力时间膨胀预言 , 后来两人将实验改进后优化到1%的水平 。
由此爱因斯坦的相对论得到完整的实验支持 , 由此给人类开启了新的大门 。
而在更加精准的实验中 , 原子钟的出现进一步在微观层面解释了广义相对论带来的时间差异 。
它通过监测原子辐射频率来测量时间 。
基于两种可能能量状态之一的原子系统 , 准备好一组处于一种状态的原子 , 然后进行微波辐射 。

如果辐射的频率正确 , 那么许多原子便将转变为另一种能态 。
通过对原子固有振荡频率运动来调整微波辐射对原子的影响 , 最终完成原子频率的测量 。
由此便可以得到一个细致的时间数值 。
在这种微观场景下 , 设备中的引力场差异无法被忽视 。
毕竟有广义相对论的存在 , 原子钟仍然存在误差 , 当然这是在微观层面 , 其所产生的误差人类是无法察觉到的 。

如今科学家在原子钟实验里进一步优化了原子钟设计 , 这使得科学家突破了过去在微观程度中对时间的认知 。
即使是在1毫米的差距内 , 时间膨胀仍然会造成影响 。
新的时间计量
相关实验来自科罗拉多州博尔德的物理学家进行的光晶格原子钟实验 。
科学家利用了大约100000个超冷锶原子 , 并将它们排列成晶格组成原子钟的一部分 。
这意味着原子处于一系列不同的高度上 , 就像站在梯子上的横格一样 。

通过在这些高度上绘制频率变化 , 由此揭示了新的发现 。
科学家在校正了可能改变频率的非引力效应后 , 时钟频率在1毫米的范围内 , 大约改变了百分之一万亿分之一 。
而这种变化正是广义相对论中所预期到的量 。
实验进行到90个小时后 , 科学家通过比对时钟上下部分的滴答声 , 最终测得到一个精准的频率 。
其精确度为0.76亿分之一万亿分之一 。
这是有史以来最精确的原子钟频率记录 , 换句话说 , 大约要过3000亿年 , 这个原子钟才会出现1秒的误差 。

当然对于人类而言 , 这种误差显然是无法感知的 。
不过对卫星导航等航天领域来讲 , 时间膨胀带来的影响就必须考虑进去 。
现在我们知道由引力势差造成了影响 , 所以卫星的时间会比地球上的快 , 由此它们需要原子钟来不断地校准高度 , 以此达到最佳状态 。
精准度更高的原子钟显然可以带来更好的科学研究体验 , 帮助科学家了解时空领域在微观层面究竟发生了什么 。
对于未来而言 , 由引力膨胀带来的影响则体现在星际旅行中 。
显然 , 我们无法忽视时间膨胀给人类带来的影响 。
我们肯定不想在未来经历了一段飞行之后 , 回家却发现地球已经过去了好几百年 。

不过要想避开引力膨胀带来的影响也不是不行 , 从理论上来讲 , 如果人类能够制造虫洞 , 那么时间膨胀带来的问题便可以被克服 。
简单来讲虫洞将两个宇宙不同地区的空间进行时空连续体撕裂 , 由此可以在不受时间膨胀的影响下进行星际穿梭 。
当然这需要非常大的能量才能够维持 , 这也是电影《星际穿越》中人类好奇土星附近的虫洞到底是谁开的 。
但这一问题或许在未来某天显得不再那么重要 。

对于今天的人类来讲 , 爱因斯坦又一次在他的科学预言中预判了宇宙的行为 。
他在现代物理中所做出的贡献不可估量 , 由此为人类开启了一个新世代 。
相对论完善了人类对于引力的认知 , 并且在天体物理学中成为众多研究的基础 。
人类的思想不止于此 , 正如相对论给我们带来的感知一般 。

推荐阅读