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科技环境

相对论百周年,德物理学家再测“时间膨胀”

根据爱因斯坦1905年提出的狭义相对论,处于快速运动状态的表,与构造完全相同、指针在动但表壳本身却处于静止状态的表相比,快动表的指针转动得慢,也就是时间流逝得慢,专业说法是“时间膨胀”效应。对外行人来说,这恐怕是爱因斯坦就时间和空间概念的理论革命所结出的最奇异的一朵花。

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荡秋千的爱因斯坦-运动中体会相对论?

一分钟的长度和表的运动速度有关,这和我们的直觉相违,也不符合我们的日常经验。尽管如此,时间膨胀效应确实存在。1971年飞机携带原子表的实验就提供了证据。德国物理学家希望了解得更深。现在,他们测到了精度在小数点后10位的时间膨胀效应。

德国马普协会下属的核物理研究所座落在美丽的城市海德堡附近,其核心设备是一台粒子加速器,它占据的空间足有一个飞机库那么大。在那无数变压器和真空泵的轰轰噪音下,萨特霍夫要想表达清楚并非易事。他对德国之声记者说:“我们的实验是从这儿开始的。这里你看到的是法拉第笼,里面是一个离子源。”

这位物理学博士指着一个香肠形状的桔黄色容器,大小像一辆载重卡车。容器里,带电的锂原子,也就是所谓的离子,在高压作用下加速到每秒1.9万公里的速度,相当于光速的6%,足够在两秒钟内环绕地球一周。萨特霍夫和他的同事需要这些粒子旅行,为的是测验爱因斯坦的理论是否正确。根据爱因斯坦1905年提出的狭义相对论,快速飞行的离子的内部时钟应当比萨特霍夫手腕上戴的表要走得慢。萨特霍夫介绍说:“按照爱因斯坦的理论,应当慢差不多1.002倍,也就是说慢千分之二。我们这个实验的创新之处就在于,利用激光谱仪把1.002这个系数精确地测到其小数点后的第10位。”

锂离子的旅行将在旁边的大厅告终。那里,强烈的磁场迫使它们沿着一个圆形轨道飞行。萨特霍夫说:“我们在这里看到的是储存环。离子是从这个出口离开加速器,进入储存环的。你在这里到处都可以看到四极的或两极的强磁铁。”

所谓的储存环是一个55米长、盘成圆环状的铝管,里面是真空,离子就在管子里急速飞行。无数的线圈、电缆等其它电气元件几乎完全遮挡了这个储存环。离子在里面每秒钟可以转330圈。萨特霍夫介绍说:“这些粒子本身就是钟表,因为粒子会振动。几乎每一个表都是以振动系统为基础的。比如说带钟摆的表,就是钟摆在振动。石英表是石英晶体在振动。原子也会振动,准确地说是原子里的电子会振动。电子振动的频率远比石英高得多,所以利用电子或者说原子测量时间的精度,就远比用石英晶体高得多。”

为了读原子表的秒针,物理学家们利用的是激光束。他们用激光对快速飞过的锂粒子外层的电子云激发一定频率的振动。此时离子会发出荧光,这束荧光就包含着离子内部钟表的行走时间。萨特霍夫介绍说:“我们现在是在地下室。这儿是供电器。这里的是我们的激光房。这个激光房其实就是我们在地下室里简单搭出来的一个小空间,因为直接在储存环旁边放激光设备不合适。储存环周围的环境条件对激光来说很恶劣,磁场杂散,还有乱糟糟的电磁波,也就是电子烟雾,都会影响激光发生器的稳定性。所以我们在地下室造了一个激光房,在这儿生成激光,然后通过光纤传送到储存环那里。”

在黑色的塑料帘子后面阴暗的灯光下,有一张乒乓球台大小的桌子,上面摆着三台激光发生器,还有一大堆的透镜和反射镜。科研人员花费了三年的心血,设计、建造和调试这套极其精确、用于测验爱因斯坦相对论的光学系统。萨特霍夫说:“我们在这里可是干了不少时间,有时甚至是通宵达旦。但在实验项目的开始阶段,方案还不明确的时候,我们可没有得到很大乐趣。但当我们琢磨出应当怎样下手时,情况就大有好转。”

如今,萨特霍夫及其同事已经以小数点后10位的精度,实验证实了爱因斯坦的时间膨胀理论,远比以往任何有关实验精确得多。但是对科学家们来说,这个精度还是不够好,因此,他们已经计划在德国达姆施塔特的重离子研究协会再进行一系列的实验。那里的加速器功率大,可以把锂离子的速度加速到光速的33%。根据爱因斯坦的理论推算,那时,离子内部时钟的1秒钟,将会比萨特霍夫手表上的1秒钟长出60毫秒。

(转载或引用务请标明“德国之声”
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