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科学家证明:时间在高空流逝的速度更快

时间:2020-04-23    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

日本的一个研究小组发现,海拔450米左右的东京晴空塔上的时间每天比地面的时间快4纳秒,从而证明了爱因斯坦相对论预见的正确性,即,在强引力场中的时钟会比在弱引力场中的时钟慢,通俗来讲,时钟在高海拔处比低海拔走得更快。

这一发现基于极其精确的 "光学晶格钟",这种时钟是根据激光产生的光学晶格中无数锶原子的振动来测量时间,比目前国际上基于铯原子振动的计时标准时钟要精确近1000倍,"光学晶格钟"每隔160亿年才会出现一秒的误差。

日本理研院量子计量实验室和东京大学的香取秀俊教授领导的研究团队成功地将光学晶格钟小型化,使其成为可运输的时钟,科学家将两个光学晶格钟分别放置在东京晴空塔上和地面,从2018年10月开始进行这项研究最终证明,按周平均计算,这些时钟在高海拔处的时间运行速度每天比靠近地面的时间快4纳秒。1纳秒相当于一秒的十亿分之一。

与在地球表面的时间相比,离地球表面越远,时间就越快,这种效应被称为 “引力时间膨胀”,它是由爱因斯坦的广义相对论所预言。

质量大的物体会产生强大的引力场

“引力时间膨胀”之所以会发生,是因为质量大的物体会产生强大的引力场。引力场实际上是空间和时间的弯曲。引力越强,时空弯曲就越多,时间本身就越慢。而引力分强弱,相对于中子星和黑洞这样致密天体系统,地球和太阳系的引力属于弱引力场条件。

在强引力场环境中的观察者体验到的时间是正常运行的,只有相对于引力较弱的参考框架而言,他的时间才会运行缓慢。因此,强引力中的人看到他的时钟正常运行,而弱引力中的人看到他的时钟正常运行,但他看到在强引力环境中的另一个时钟运行会变慢。

爱因斯坦提出了“引力时间膨胀”理论

其实,这和时钟本身并没有关系:时间本身是在减慢和加速的,因为相对论认为,质量使空间和时间发生了相对论的扭曲。

每当引力的强弱不同时,时间就会发生引力扩张,不管这种差异有多小。地球有大量的质量,因此也有大量的引力,所以它可以弯曲空间和时间,足以被测量。当一个人离地球表面越远,哪怕只是几米,他的引力就越弱。作为人类,我们并没有太多注意到这种引力的变化,但是,即使从一楼到二楼,也会使你远离地球表面,从而使你所感受到的引力稍稍减弱。在离地表三米高的地方感受到的引力和在四米高的地方感受到的引力相差太小,用我们人类的感官是几乎无法察觉到,但这种差别却足以让敏感的科学设备捕捉到。

你每上一层楼,引力的强度就会减弱,所以时间流逝的速度也会随着每一步的推进而加快。与在顶层工作的人相比,在摩天大楼底层工作的人的时间变慢。但是,这种时间的流逝差异非常小,小到你永远不会注意到两者的时间差。

不同海拔高度之间的时差虽然很小,但这种时差是真实存在的。美国国家标准与技术研究所(NIST)曾经用非常精确的原子钟对这种微小的时间速率差进行了实验测量。NIST只需将他们的实验台抬高半米,就能测出地球上的一个点与高半米的点之间的微小时速差。他们的研究结果与爱因斯坦相对论所预言的引力时间扩张完全吻合。

由于地球引力所造成的时间扩张是非常显著的,以至于GPS卫星在地球上方的高空轨道上运行时必须调整内部时钟,这样才能准确定位GPS接收机在地面上的位置。

引力时间膨胀会从大型天体引力场中加速的参考坐标或等效原理里明确地表现出来。用更简单的话来说,就是远离大型天体(储有更高势能)的时钟会走得更快,而接近大型天体的(储有较低势能)的便会走得更慢。

所有加速参考坐标都会表现出这种效应,如高速行驶的赛车、旋转木马,摩天轮或航天飞机。

香取秀俊认为:“时钟可以区分高度的微小差异,使我们能够在活火山或地壳变形等场所测量地面膨胀,或者确定高度的参考。我们想证明,可以在实验室以外的任何地方,用可运输的设备进行这些精确的测量。这是将超精密的时钟变成现实世界实用设备的第一步。"

此前证明爱因斯坦的“引力时间膨胀”理论需要非常精确的时钟,或者是高低差很大的时钟,比如卫星,或相隔数千公里的高度上的设备。

日本这种小型化的时钟设备有望用于研究地震或火山爆发引起的地球表面的分钟运动,这种光学钟对温度变化、振动和电磁场不敏感。

香取秀俊团队的小型化设备是一个世界首创的成就,其精度可与最好的天基测量相媲美,也让他离获得诺贝尔奖更近一步了。

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