日本科學家證明:時間在高空流逝的速度更快

 
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日本科學家證明:時間在高空流逝的速度更快

日本的一個研究小組發現,海拔450米左右的東京晴空塔上的時間每天比地面的時間快4納秒,從而證明了愛因斯坦相對論預見的正確性,即,在強引力場中的時鐘會比在弱引力場中的時鐘慢,通俗來講,時鐘在高海拔處比低海拔走得更快。

日本光學晶格鍾

這一發現基於極其精確的 "光學晶格鍾",這種時鐘是根據激光產生的光學晶格中無數鍶原子的振動來測量時間,比目前國際上基於銫原子振動的計時標準時鐘要精確近1000倍,"光學晶格鍾"每隔160億年才會出現一秒的誤差。

日本理研院量子計量實驗室和東京大學的香取秀俊教授領導的研究團隊成功地將光學晶格鍾小型化,使其成為可運輸的時鐘,科學家將兩個光學晶格鍾分別放置在東京晴空塔上和地面,從2018年10月開始進行這項研究最終證明,按周平均計算,這些時鐘在高海拔處的時間運行速度每天比靠近地面的時間快4納秒。1納秒相當於一秒的十億分之一。

與在地球表面的時間相比,離地球表面越遠,時間就越快,這種效應被稱為 「引力時間膨脹」,它是由愛因斯坦的廣義相對論所預言。

質量大的物體會產生強大的引力場

「引力時間膨脹」之所以會發生,是因為質量大的物體會產生強大的引力場。引力場實際上是空間和時間的彎曲。引力越強,時空彎曲就越多,時間本身就越慢。而引力分強弱,相對於中子星和黑洞這樣緻密天體系統,地球和太陽系的引力屬於弱引力場條件。

在強引力場環境中的觀察者體驗到的時間是正常運行的,只有相對於引力較弱的參考框架而言,他的時間才會運行緩慢。因此,強引力中的人看到他的時鐘正常運行,而弱引力中的人看到他的時鐘正常運行,但他看到在強引力環境中的另一個時鐘運行會變慢。

愛因斯坦提出了「引力時間膨脹」理論

其實,這和時鐘本身並沒有關係:時間本身是在減慢和加速的,因為相對論認為,質量使空間和時間發生了相對論的扭曲。

每當引力的強弱不同時,時間就會發生引力擴張,不管這種差異有多小。地球有大量的質量,因此也有大量的引力,所以它可以彎曲空間和時間,足以被測量。當一個人離地球表面越遠,哪怕只是幾米,他的引力就越弱。作為人類,我們並沒有太多注意到這種引力的變化,但是,即使從一樓到二樓,也會使你遠離地球表面,從而使你所感受到的引力稍稍減弱。在離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,用我們人類的感官是幾乎無法察覺到,但這種差別卻足以讓敏感的科學設備捕捉到。

你每上一層樓,引力的強度就會減弱,所以時間流逝的速度也會隨著每一步的推進而加快。與在頂層工作的人相比,在摩天大樓底層工作的人的時間變慢。但是,這種時間的流逝差異非常小,小到你永遠不會注意到兩者的時間差。

不同海拔高度之間的時差雖然很小,但這種時差是真實存在的。美國國家標準與技術研究所(NIST)曾經用非常精確的原子鐘對這種微小的時間速率差進行了實驗測量。NIST只需將他們的實驗台抬高半米,就能測出地球上的一個點與高半米的點之間的微小時速差。他們的研究結果與愛因斯坦相對論所預言的引力時間擴張完全吻合。

由於地球引力所造成的時間擴張是非常顯著的,以至於GPS衛星在地球上方的高空軌道上運行時必須調整內部時鐘,這樣才能準確定位GPS接收機在地面上的位置。

引力時間膨脹會從大型天體引力場中加速的參考坐標或等效原理里明確地表現出來。用更簡單的話來說,就是遠離大型天體(儲有更高勢能)的時鐘會走得更快,而接近大型天體的(儲有較低勢能)的便會走得更慢。

所有加速參考坐標都會表現出這種效應,如高速行駛的賽車、旋轉木馬,摩天輪或太空梭。

東京大學香取秀俊教授

香取秀俊認為:「時鐘可以區分高度的微小差異,使我們能夠在活火山或地殼變形等場所測量地面膨脹,或者確定高度的參考。我們想證明,可以在實驗室以外的任何地方,用可運輸的設備進行這些精確的測量。這是將超精密的時鐘變成現實世界實用設備的第一步。"

此前證明愛因斯坦的「引力時間膨脹」理論需要非常精確的時鐘,或者是高低差很大的時鐘,比如衛星,或相隔數千公里的高度上的設備。

日本這種小型化的時鐘設備有望用於研究地震或火山爆發引起的地球表面的分鐘運動,這種光學鍾對溫度變化、振動和電磁場不敏感。

香取秀俊團隊的小型化設備是一個世界首創的成就,其精度可與最好的天基測量相媲美,也讓他離獲得諾貝爾獎更近一步了。




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