首页 >> 资讯 >> 资讯 物理 >> 文章

科学家们几十年前就知道,高海拔地区的时间流逝得会快一些。这是爱因斯坦的相对论的一个有趣推论,之前这一点已经通过对比在地球表面和高空火箭上的钟得到了证实。

现在,美国国家标准局(NIST)的科学家做的实验中,这个高度差被缩小到了33厘米,大约1英尺。也就是说,研究人员证明在楼梯上多上几个台阶后,你就老得更快了。

研究发表在9月24日的《科学》杂志上,这其中高度差所造成的时间差异太小了,人们无法直接察觉到:在大约人一生的79年的时间里会造成约900亿分之一秒的差别。但是这一研究可能能在地球物理学和其它领域产生实际应用。

美国国家标准局的科学家们还观测到相对论的另一个表现,即运动越快时间流逝得越慢。在他们的实验里,这个速度是每小时20英里(约33公里),跟汽车速度差不多。这个速度更接近人们的生活,而之前的试验中使用的都是喷气飞机。

美国国家标准局的科学家们做的这个“时间膨胀”新实验,使用的是一对世界最好的实验用原子钟,计时基于单个的铝离子(带电原子)每秒在两个能级间千万亿次的振动。一只钟的精度是37亿年误差不超过1秒,另一只钟的精度也相差不远。2只钟被放置在美国国家标准局不同的实验室里,用一根75米长的光纤相连。

美国国家标准局的这种钟也被称为“量子逻辑钟”,因为其设计借助了实验量子计算中逻辑决策技术的理念。这种钟足够精确和稳定,能揭示之前不能被察觉的差异。工作时,会用频率高于微波频率的可见光波段的激光照射铝离子(在现在的标准铯原子钟里,使用的是微波频率)。光学(原子)钟有一天可能能让标准时间比现在的标准(原子)钟的精确度提高100倍。

论文第一作者、美国国家标准局的博士后James Chin-Wen Chou表示,由于有极高的精度和高“Q因子”(Q因子是一个指标,用于反映离子在从一个能级变换到另一个能级时,吸收和保留光能量的可靠性),铝原子钟可以探测到微小的相对论效应。

Chou表示,“我们已经观察到了原子物理中最高的Q因子,你可以把这想象成,音叉在失去存储在共振结构中的能量之前能振动多久。我们能让离子与激光频率在大约400万亿个周期中同步振动”。

美国国家标准局的这个实验,关注于两个爱因斯坦相对论的推论。第一个,当2个钟由于所处海拔不同,受到不一样的引力影响时,海拔高的那个钟,由 于所受引力相对较小,将会走得更快。第二个,当观测者移动时,静止的钟每一次滴答地走时似乎要花更长的时间,即走得似乎更慢一些。科学家将这称为“双生子佯缪”,即一对双胞胎中乘坐快速运动飞船的那个人回到家中时,会比另一个年轻。这其中的关键因素是飞船往返旅程中的加速度(飞船加速然后减速)。

美国国家标准局的科学家对2个钟中的1个做了特殊的改变,然后测量造成的原子钟走动速率(频率)差异,来观察这种相对论效应。

在一个实验中,科学家通过增高一个光学平台的高度提升了一个原子钟,让其比另一个钟高度高了1/3米(大约1英尺)。果然,就像理论预测的那样,海拔高的钟比低一些的钟运转得要快一点点。

第二个实验中,一个钟里的离子的运动状态被改变了,然后观察造成的影响(在一般的原子钟里,离子几乎是完全不动的)。科学家们让 一个离子以相当于每秒几米的速度前后回旋。正如相对论理论所预言的一样,这个钟比另一个未作改动的钟运转得稍微慢了一点。运动中的离子,就正像双生子佯谬中那个往返旅行的双胞胎之一一样。

美国国家标准局铝原子钟小组负责人、物理学家 Till Rosenband表示,如此超精确的对比,最终可能会通过地球物理和水文学方面的应用,对测地学起到帮助(测地学是测量地球和其引力场的科学)。并且也有可能对基于太空的对基础物理理论的验证起到帮助。

美国国家标准局科学家希望继续通过离子势阱形状上的改变,能更好地控制离子运动和环境影响,使得铝原子钟的精度能提高约10倍目标是把造成时间差异的高度差精度变为1厘米左右,这 样的精度就可以用作测地学测量了。论文认为,这种原子钟可以互联形成一个“内陆测潮仪”网络,用来测量从地表到所谓大地水准面 (与全球平均海平面对应的地球引力场表面)的距离。这样的一个网络可以比现有技术更频繁地进行升级。

这项研究部分由美国海军研究办公室资助。

·几乎年轻的秘密:相对论和原子钟

想留住时间的脚步?相对论告诉我们:改变空间吧!物理松鼠Sheldon概括一句话:时不离空,空不离时。引力不但可以弯曲空间,还可以改变时间。不懂没关系,因为你正在看的不是一般原理,现在说的可是传说中的相对论!那么,请深吸一口气,清醒一下,让Sheldon用最简单的语言从现象上解释解释:

如果把地球看做一个静止的完美球体,拿两个绳子围成圆形把地球围起来,圆心和球心重合。一个绳子长4万公里,一个绳子长8万公里,问两个绳子的高度相差多少?小学应用题的经验告诉我们,周长除以2PI(PI为圆周率)约等于半径,那么周长的差除以2PI就约等于半径的差了!——很遗憾,答错了。实际的差别会比这个结果略大一些——当然远在小数点后很多位。这是因为地球的引力把时钟变慢的同时,还把“径向”的距离拉长了一些,而“周长”方向的距离没有改变。可以说,空间就被弄弯了,周长和半径的比值受到影响并不简单的等于2PI了。

如果考虑地球的转动,情况就更加复杂了。就像空气一样,地球表面的时空还会被地球的自转“拖拽”,结果把“周长”方向的距离也改变了。这样周长和直径的比值就更加复杂了。

实际上,地球的引力很弱,自转也很慢,并不是一个适合研究相对论效应的实验对象。在宇宙中,有一种脉冲星,引力很强,自转非常快,是典型的相对论性天体。如果脉冲星不但自转,还在公转呢?感兴趣的话,请等待小红猪为我们奉上《爱因斯坦的终极实验室》(英文哒,中文版还没有译出呢)。

地球引力和自转对时间和空间的改变,即便站在很高的楼上,人类也不可能感觉得到。不光人类,一般的钟都测量不出来。这就必须要请出原子钟了。物理松鼠沐右觉得原子钟有可能替代我们现有的标准时钟,使得我们的时间更加精确”(原本的这句话,这样说是有点小问题的,容易引起误会。现在的标准时钟是用的铯原子钟,但是这个说法可能会让人以为现在用的不是原子钟,NIST的这种新型原子钟精度上更高一些,有可能取代铯原子钟。)不仅在地面上,还有卫星上。 如果精度能够像资讯里面提到的那样进一步提高一些,那在地球物理学上面也会有着广泛的应用。

地球物理的一个研究方向就是利用GPS卫星信号测量某一地区的高度变化,这个高度变化可以是由于采煤、采油等造成的地面沉降,为了平衡地面沉降往地下注水过量造成的地面抬升,地表冰川融化使得原来被冰川压着的部分地壳在弹性作用下向上抬升,等等。但是GPS卫星信号有它的问题,数据中包含的各种误差比较多,处理起来复杂。如果这种原子钟能够实现的话,那么可以直接测量出某一地点地壳高度的变化,能够更方便地用于指导生产活动。

地震学上对地震的监测中,重要的就是获得地壳运动的信息,包括地壳的运动,各地的重力变化等等。如果这个由高精密时钟构成的网络能够实现的话,那么可以更精密地对地球各地的情况进行监测。通过对这些信息的研究,有助于我们最终掌握地震发生的机理,降低地震造成的危害。

想分享科技新鲜事,跟大伙儿谈论热点话题背后的科学?却懒得写长文章,或不知怎么参与?现在可以编译短文或写原创小文章,投稿给资讯频道,与大家共享信息。  详情 >>

0
为您推荐

18 Responses to “科学证明,生活在高楼上衰老得更快”

  1. netwjx说道:

    这个貌似是忽悠文

    • 沐右说道:

      这篇资讯是标题党了
      实际上因为住的高而导致的时间差别不是人能够感知的
      即使是一辈子的时间,造成的差别也是可以忽略的
      不过呢
      对于航空航天来说,这个由于相对论产生的时间不同的效应
      是很多时候必须考虑的问题,要不然,卫星信号和地面就不能同步
      而相对论是很多“民间科学家”倾向于怀疑和推翻的理论
      连漫画家也不外如是
      但是相对论的各种效应,是实实在在的各种试验验证了的
      不是随随便便就能推翻的

  2. 栖枫渡说道:

    这是个忽悠标题,呵呵。

  3. 元元磐石说道:

    那要是住地下会不会减缓衰老啊

  4. 玄清说道:

    这也太标题党了吧.....

  5. 王一说道:

    看新浪的新闻,也说这个事儿,超级雷人

    http://news.sina.com.cn/h/2010-09-25/132621166727.shtml

  6. 陈七说道:

    我不相信,地势高的地方自转线速度明显比地势低的地方大,速度越高时间越慢。一方面越高的地方时间越慢,另一方面越高的地方时间又越快。那一个增量大?很难搞清楚。

  7. 111说道:

    我是小白,谁能解答下疑问
    “运动越快时间流逝得越慢”
    高海拔地区比起低海拔地区,离地心更远,半径更大,其运动的线速度应该比低海拔地区快。
    为什么是高海拔快呢

    • 沐右说道:

      由地球自转导致的速度差异是很小的
      地球24小时才转一周,自转的线速度等于角速度乘以半径
      海拔相差一千米的话,自转的线速度才相差7厘米每秒
      这个差别带来的相对论效应是很小的
      而不同引力带来的相对论效应大得多,这样是他们能够实验验的原因

  8. humi说道:

    标题党很不好,会误导无知群众的……话说新浪那个雷死了= =

    • 沐右说道:

      新浪那个的确很雷人
      评论更雷人

      话说这个资讯虽说是标题党了
      但是读过这个资讯的话,不会产生错误的想法
      标题嘛,吸引人一点也无可厚非
      虽然我们也是基本上照着翻译美国国家标准局的新闻稿
      不过专业性上还是胜出一些的
      哈哈哈哈哈

  9. [...] 科学证明,生活在高楼上衰老得更快  想留住时间的脚步?相对论告诉我们:改变空间吧!物理松鼠Sheldon概括一句话:时不离空,空不离时。引力不但可以弯曲空间,还可以改变时间。不懂没关系,因为你正在看的不是一般原理,现在说的可是传说中的相对论!那么,请深吸一口气,清醒一下,让Sheldon用最简单的语言从现象上解释解释: [...]

  10. tony说道:

    感觉不到?

  11. badboy说道:

    这么说来钟不存在最准,只能有相对于某个速度最准

  12. 黑十字星k说道:

    活在高层速度快点~~~底层引力大点~~

  13. 小黑说道:

    一个问题,双生子佯缪中提到起作用的是加速度,我记得原来中学时老师讲的改变时间的是速度,那么到底是加速度还是速度呢?

  14. [...] 愛因斯坦的廣義相對論是科學界普遍接受的理論,已經有諸多的實驗驗證。愛丁頓爵士於1919年帶隊在西非斯普林斯島觀測日全食發生時太陽附近的星星位置(數據比較粗略);60年代的時候,哈佛大學的科學家們通過研究放射性的鐵57觀測了相對論的引力紅移現象(Pound-Rebka experiment);1976年,美國國家太空總署進行了引力探測器A項目,利用火箭攜帶精密的原子鐘到10000公里高的太空,測量得到那裡的時間比地表快了一百億分之4.5;2010年,美國國家標準局的科學家利用高精密原子鐘,測量出了33釐米高度差別導致的時間快慢變化(參考科學松鼠會資訊《科學證明,生活在高樓上衰老得更快》),而我們現在利用的衛星信號傳遞、GPS衛星導航以及其他的航空航天活動,離了廣義相對論的知識,都會出問題。 [...]

Leave a Reply