爱因斯坦的胜利——从伦敦到上海，一台原子钟验证时空的关联性

本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

英国皇家科学院有一个传统，那就是在每年的圣诞节会举办一场圣诞科学讲座，这项闻名世界的活动源自著名科学家迈克尔·法拉第，自从1825年起几乎每年都会举行，最近几十年更是受到了全世界越来越多热爱科学的民众的关注。每一年的这一天，都会有很多人蜂拥到英国皇家科学院的讲座现场，倾听科学界的最新发现和科学成就，更有一些令人惊叹的实验演示，在千禧年来临之际的讲座中，其中的一个实验就和爱因斯坦的相对论有关，小编觉得很值得拿出来说一说。

1999年的皇家科学院圣诞讲座，受邀主讲的是美国迈阿密大学的物理学教授尼尔·约翰逊。为了能让听众直观地理解爱因斯坦相对论中时间的意义和特性以及时空的关联性，约翰逊和他的科学家朋友设计了一个实验，而实验的最终结果是在2000年的圣诞讲座中揭晓的。约翰逊向听众阐述，爱因斯坦的相对论说明，光阴流逝的不同，取决于你是如何运动的。比如，有一对双胞胎，一个留在地球，一个乘坐太空船离开地球很多年，当离开的那位回到地球时，会发现比留在地球的更年轻，因为他们各自的运动速度不同，所以经历的时间也不同，运动得越快，消逝的时间更短。

这是根据爱因斯坦的相对论而得出的推论，实际上科学家无法真的找一对双胞胎来做这样的实验。单约翰逊设计了一个类似的实验，用两台同步过的原子钟来替换双胞胎真人，一台留在讲座现场，另一台将从英国伦敦搭乘飞机抵达中国上海并返回，最终再观察两台原子钟时间流逝的差异，以此来验证爱因斯坦的理论。我们知道，原子钟的原理是利用电子在不同能级的轨道之间发生跃迁时所发射出确定频率的光，由于频率确定，因此可以用来定义“一秒”的时间，是极其精准的。

事实上，在1997年，“一秒”在国际上的定义等同于铯-133原子的电子跃迁两个能级时辐射光线振动9192631770次所需的时间，这样的原子钟在100万年里才会出现一秒的误差。回过头来再说约翰逊的实验，那台被带到上海并返回的原子钟，被发现比那台留在讲座现场的“孪生”原子钟“老”了一秒的十亿分子六十六！看到这个结果，在场的观众一脸茫然——实验的结果出乎意料，得到了一个与预想相反的结果！因为，大家一直被告知，运动更快的那个应该比固定不动的那个年轻才对呀？

难道爱因斯坦错了？约翰逊向观众解释，恰恰相反，实验结果正说明爱因斯坦的理论是正确的，因为时间和空间是关联的，爱因斯坦称之为“时空合并”。在时空合并的状态下，两台原子钟的时间差异其实取决于两个因素：一是运动速度；二是引力的大小。虽然那台抵达上海的原子钟的运动速度更快，但由于它在运动时处于高空，它受到的地球的引力更弱。综合来说，虽然运动速度使它流逝的时间更少会使它更年轻，但是更弱的引力则会使它变得更老。两个因素综合下来，引力因素更胜一筹。