愛因斯坦的勝利——從倫敦到上海，一臺原子鐘驗證時空的關聯性

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英國皇家科學院有一個傳統，那就是在每年的聖誕節會舉辦一場聖誕科學講座，這項聞名世界的活動源自著名科學家邁克爾·法拉第，自從1825年起幾乎每年都會舉行，最近幾十年更是受到了全世界越來越多熱愛科學的民衆的關注。每一年的這一天，都會有很多人蜂擁到英國皇家科學院的講座現場，傾聽科學界的最新發現和科學成就，更有一些令人驚歎的實驗演示，在千禧年來臨之際的講座中，其中的一個實驗就和愛因斯坦的相對論有關，小編覺得很值得拿出來說一說。

1999年的皇家科學院聖誕講座，受邀主講的是美國邁阿密大學的物理學教授尼爾·約翰遜。爲了能讓聽衆直觀地理解愛因斯坦相對論中時間的意義和特性以及時空的關聯性，約翰遜和他的科學家朋友設計了一個實驗，而實驗的最終結果是在2000年的聖誕講座中揭曉的。約翰遜向聽衆闡述，愛因斯坦的相對論說明，光陰流逝的不同，取決於你是如何運動的。比如，有一對雙胞胎，一個留在地球，一個乘坐太空船離開地球很多年，當離開的那位回到地球時，會發現比留在地球的更年輕，因爲他們各自的運動速度不同，所以經歷的時間也不同，運動得越快，消逝的時間更短。

這是根據愛因斯坦的相對論而得出的推論，實際上科學家無法真的找一對雙胞胎來做這樣的實驗。單約翰遜設計了一個類似的實驗，用兩臺同步過的原子鐘來替換雙胞胎真人，一臺留在講座現場，另一臺將從英國倫敦搭乘飛機抵達中國上海並返回，最終再觀察兩臺原子鐘時間流逝的差異，以此來驗證愛因斯坦的理論。我們知道，原子鐘的原理是利用電子在不同能級的軌道之間發生躍遷時所發射出確定頻率的光，由於頻率確定，因此可以用來定義“一秒”的時間，是極其精準的。

事實上，在1997年，“一秒”在國際上的定義等同於銫-133原子的電子躍遷兩個能級時輻射光線振動9192631770次所需的時間，這樣的原子鐘在100萬年裏纔會出現一秒的誤差。回過頭來再說約翰遜的實驗，那臺被帶到上海並返回的原子鐘，被發現比那臺留在講座現場的“孿生”原子鐘“老”了一秒的十億分子六十六！看到這個結果，在場的觀衆一臉茫然——實驗的結果出乎意料，得到了一個與預想相反的結果！因爲，大家一直被告知，運動更快的那個應該比固定不動的那個年輕纔對呀？

難道愛因斯坦錯了？約翰遜向觀衆解釋，恰恰相反，實驗結果正說明愛因斯坦的理論是正確的，因爲時間和空間是關聯的，愛因斯坦稱之爲“時空合併”。在時空合併的狀態下，兩臺原子鐘的時間差異其實取決於兩個因素：一是運動速度；二是引力的大小。雖然那臺抵達上海的原子鐘的運動速度更快，但由於它在運動時處於高空，它受到的地球的引力更弱。綜合來說，雖然運動速度使它流逝的時間更少會使它更年輕，但是更弱的引力則會使它變得更老。兩個因素綜合下來，引力因素更勝一籌。