世界上最精確的時鐘是如何改變基礎物理學的？

鍶原子鐘是世界上最精確的計時裝置之一

位於博爾德的科羅拉多大學葉駿教授的實驗室中。

愛因斯坦的廣義相對論認為，像地球這樣的大質量物體會彎曲時空，當你接近物體時會導致時間變慢——所以山頂上的人比海平面上的人衰老得快一點點。

美國科學家現在以有史以來最小的規模證實了這一理論，證明時鐘在相隔幾分之一毫米時以不同的速率滴答作響。

美國國家標準與技術研究院 (NIST) 科羅拉多大學博爾德分校的學生 Jun Ye，他們的新時鐘“迄今為止”是有史以來最精確的——並且可以為量子力學的新發現鋪平道路，亞原子世界的規則手冊。

Ye 及其同事週三在著名的《自然》雜誌上發表了他們的發現，描述了使他們能夠製造出比當今最好的原子鐘精確 50 倍的裝置的工程進展。

直到原子鐘的發明，科學家們才能夠證明阿爾伯特·愛因斯坦1915年的理論。原子鐘透過探測暴露在特定頻率下的原子內部兩個能態之間的躍遷來計時。

早期的實驗包括1976年的重力探測器A，該探測器涉及一艘距離地球表面10000公里的航天器，並顯示機載時鐘每73年比地球上的等效時鐘快一秒。

從那時起，時鐘變得越來越精確，因此能夠更好地檢測相對論的影響。

2010 年，NIST 科學家觀察到當時他們的時鐘移動 33 釐米（略高於一英尺）時，時間以不同的速率移動。

-萬物理論-

Ye的關鍵突破是利用被稱為光學晶格的光網，以有序排列的方式捕獲原子。這是為了阻止原子由於重力或其他移動而下落，從而導致精度損失。

Ye的新時鐘內部有 100,000 個鍶原子，像一堆煎餅一樣層疊在一起，總高約一毫米。

時鐘是如此精確，以至於當科學家將堆疊一分為二時，他們可以檢測到上半部分和下半部分的時間差異。

在這種精度水平上，時鐘基本上充當感測器。

“空間和時間是相連的，”Ye說。“透過如此精確的時間測量，你實際上可以實時看到空間是如何變化的——地球是一個充滿活力的生命體。”

這種分佈在火山活躍地區的時鐘可以告訴地質學家固體岩石和熔岩之間的區別，幫助預測火山噴發。

或者，例如，研究全球變暖如何導致冰川融化和海洋上升。

然而，最讓人振奮的是，未來的時鐘如何引領一個全新的物理學領域。

目前的時鐘可以檢測到 200 微米的時差——但如果將其降低到 20 微米，它就可以開始探索量子世界，從而在理論上幫助彌合差異。

雖然相對論完美地解釋了行星和星系等大物體的行為方式，但它與處理非常小的物體的量子力學不相容是出了名的。

根據量子理論，每個粒子也是一個波——並且可以同時佔據多個位置，這就是所謂的疊加。但根據愛因斯坦的理論，目前尚不清楚同時位於兩個地方的物體如何扭曲時空。

因此，這兩個領域的交叉將使物理學更接近於一個統一的“萬物理論”，它解釋了宇宙的所有物理現象。