用原子钟测试时空的对称性

用原子钟测试时空的对称性

根据爱因斯坦的理论，光速总是相同的。但根据量子引力的理论模型，这种时空的均匀性并不适用于粒子。物理学家们现在试图用两个光学镱钟来探测时空均匀性的变化.

爱因斯坦在他的狭义相对论中提出了一个假设，根据这个假设，无论条件如何，光速总是相同的。然而，根据量子引力的理论模型，这种时空的均匀性可能并不适用于粒子。物理学家们现在已经通过对德国联邦科学技术公司(PTB)的两个光学镱钟的首次长期比较，验证了这一假设。用这些误差仅为100亿年一秒的钟，应该可以测量出镱中电子运动的极小偏差。但当时钟在太空中指向不同时，科学家们没有发现任何变化。由于这一结果，用实验来测试时空对称性的电流极限大大提高了100倍。此外，还证实了光学镱钟小于4×10E-18的系统测量不确定度极小。

这是历史上最著名的物理实验之一:早在1887年，迈克尔逊和莫雷就证明了爱因斯坦后来以理论的形式表达的观点。在旋转干涉仪的帮助下，他们比较了在垂直方向上两个光轴上的光速。这个实验的结果成为爱因斯坦狭义相对论的基本命题之一:光速在空间的各个方向上是相同的。现在有人可能会问:这种空间对称性(以亨德里克·安托万·洛伦茨的名字命名)是否也适用于物质粒子的运动?或者在能量不变的情况下，这些粒子的运动速度是更快还是更慢?特别是对于高能粒子，量子引力的理论模型预测了洛伦兹对称性的破坏。

为了更准确地研究这一问题，用两个原子钟进行了实验。这些原子钟的频率都是由存储在阱中的单个Yb+离子的共振频率控制的。虽然Yb+离子的电子在基态呈球对称分布，但在激发态它们表现出明显的拉长波函数，因此主要沿一个空间方向运动。波函数的方向是由施加在时钟内部的磁场决定的。在两个时钟中，磁场方向被选择为近似成直角。这些时钟被牢牢地安装在实验室里，相对于固定的恒星，它们每天与地球一起自转一次(更准确地说，每23.9345小时自转一次)。如果电子的速度取决于空间的方向，这就会导致两个原子钟之间的频率差异，这种频率差异会随着地球的自转而周期性地发生。为了能够将这种效应与任何可能的技术影响区分开来，我们对Yb+时钟的频率进行了1000多个小时的比较。在实验过程中，在从几分钟到80小时的可接近的周期范围内，两个时钟之间没有观察到任何变化。为了对Yb+离子的原子结构进行理论解释和计算，PTB的团队与美国特拉华大学的理论家合作。现在得到的结果将加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)研究人员在2015年设定的钙离子极限值大幅提高了100倍。

平均在总测量时间内，两个时钟的相对频率偏差均小于3×10E-18。这证实了之前估计为4×10E-18的时钟的综合不确定度。此外，它是在这种精度水平上表征光学原子钟的一个重要步骤。只有在大约100亿年之后，这些时钟才有可能彼此偏离一秒钟。