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兩個超精密原子鐘證實了相對論,頻率誤差不超過一百億億分之三

2019-03-15

兩個超精密原子鐘證實了相對論,頻率誤差不超過一百億億分之三

狹義相對論的創立基於一個非常重要的假設——光速不變原理,即光的速度與參照系的選擇無關。假設有一束在真空中傳播的光,無論觀察者相對於光做怎樣的相對運動,光的速度相對於觀察者都是保持相同的光速,不會增加也不會減小。

光速不變原理的理論支持來自於麥克斯韋方程組,該方程組推到出真空中的光速只取決於真空介電常數和真空磁導率,而這兩個參數均是與參照系無關的常數。因此,這表明光速相對於任何參照系都是相等的。光速不變原理的實驗支持來自於光行差效應,以及非常經典的麥可遜-莫雷光干涉實驗。

兩個超精密原子鐘證實了相對論,頻率誤差不超過一百億億分之三

狹義相對論的另一個非常重要的假設——狹義相對性原理。愛因斯坦認為,物理學法則在任何慣性參照系中保持不變,所有參照系都是平權的。這有被稱為洛倫茲不變性,即物理學方程在洛倫茲變換下保持形式不變。愛因斯坦最初從法拉第的電磁感應實驗中認識到了這一原理,後來的各種實驗又進一步證實了該原理,其中就包括最近的一項高精度原子鐘實驗。

根據剛剛發表在《自然》(Nature)雜誌上的一項研究[1],德國聯邦物理技術研究院的物理學家讓兩個鐿離子——帶正電荷的原子——以特定的頻率吸收和發射光,其功能類似於鐘錶指針的滴答走動,它們是兩個精度極高的鐿原子鐘。這些離子朝向不同的方向隨著地球自轉而鏇轉,每天循環一周。

兩個超精密原子鐘證實了相對論,頻率誤差不超過一百億億分之三

如果在空間中不同方位的鐿原子鐘的滴答走動有所區別,那么,實驗將會揭示出兩個原子鐘的相對頻率在每天的變化——而這就會違反洛倫茲不變性。然而,兩個鐿原子鐘沒有出現差別,它們的頻率誤差不超過一百億億分之三,這個精度比之前的洛倫茲不變性實驗提高了100倍。

雖然洛倫茲不變性已被反覆證實,但一些量子物理學家預測,它經不起越來越精確的測試。根據量子引力理論(試圖把引力量子化的理論,以期實現大統一理論),粒子並不滿足時空的均勻性,洛倫茲不變性將會在被更高精度的實驗證明無法成立。

但到目前為止,還沒有跡象表明洛倫茲不變性失效,並且基於此創立而來的狹義相對論還是一如既往地經受住了各種高精度實驗的檢測。

兩個超精密原子鐘證實了相對論,頻率誤差不超過一百億億分之三

導航衛星的時鐘校準是對狹義相對論的最好檢驗之一,根據狹義相對論,太空中高速運動的衛星所攜帶的時鐘會走得比地面上的時鐘更慢,所以需要消除這種效應帶來的誤差(同時還要排除廣義相對論效應)。另外,粒子加速器中的粒子無一不是證實了狹義相對論,它們的速度始終都無法被加速到光速,因為這受到了狹義相對論的限制。

參考文獻

[1] Christian Sanner, Nils Huntemann, Richard Lange, et al., Optical clock comparison for Lorentz symmetry testing, Nature, 2019, 567, 204-208.

狹義相對論 洛倫茲不變性 一百億億分之三 頻率誤差 光速 參照系 相對論 速度 光速不變原理 效應

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