爱因斯坦又对了！外籍院士高度差1毫米，时间差1000亿亿分之一

　　根据顶级科学期刊《自然》（Nature）发表的一篇封面论文[1]，物理学家通过极为精确的原子钟发现，高度仅仅高了1毫米，时间也会走快1000亿亿分之一，这再次以极高的精度证实了爱因斯坦百年前的预言。
　　宇宙中的时间并非像牛顿想的那样是绝对一致的，根据爱因斯坦的狭义相对论，时间在运动参照系中会变慢，这被称为时间膨胀效应。速度越接近光速，时间走得越慢，越接近于停止。除了速度之外，引力也会影响时间的流逝速率，这究竟是为什么呢？
　　引力我们都很熟悉，我们每个人都受到地心引力的作用，被束缚在地球表面。地球被太阳束缚住，不会游荡到星际空间中。同样地，太阳被银河系束缚住，不会流浪到星系际空间中。这些现象的背后都是引力在起作用。
　　17世纪，牛顿发现了万有引力定律，给出了引力公式，两个物体之间的引力正比于它们的质量之积，反比于它们之间距离的平方。万有引力定律成功解释了天体运动，并且还能预言第八大行星（海王星）的存在。
　　虽然万有引力定律取得了前所未有的成功，但却并不完美。作为太阳系最内侧的行星，水星在绕着太阳公转时，近日点会有明显的进动。水星每绕太阳转一圈，都不会回到原来的位置，前后两个恒星年的公转轨道无法重合。
　　根据观测结果，在100年的时间里，水星的近日点进动与万有引力定律预言的数值相差了43角秒。平心而论，这个偏差其实非常小，100年才差了0.01194度，差不多是1/84度，离1度还差得远。
　　但如此小的误差也说明，牛顿的万有引力定律存在缺陷，它并不是终极的引力理论。这个问题直到1915年，爱因斯坦完成广义相对论后，才得到完美解决。
　　爱因斯坦对引力的解释完全不同于牛顿，爱因斯坦不认为引力是一种纯粹的新引力，取而代之的是一种几何效应。根据广义相对论，物体甚至是能量都会让原本平直的空间发生弯曲，物体在弯曲空间中运动，就有互相靠近的趋势，从而看起来就像是一种吸引力。
　　爱因斯坦的广义相对论完美地解释了水星问题，而且还预言了诸多未知的引力现象，包括引力透镜效应、引力波、黑洞、引力以光速传播，这些现象都在后来的观测中一一得到完美证实。
　　广义相对论预言，物体除了会让空间发生弯曲之外，还会让时间扭曲。在引力越强的地方，时间过得越慢，这就是引力时间膨胀效应，物理学家早已通过实验证实了这一预言。
　　1971年，物理学家把铯原子钟置于飞机上，让它与地面上的另一架铯原子钟进行对比。飞机在万米空中飞行时，距离地心更远，所受引力更弱，上面的时间应该过得更快。
　　即便考虑到飞机速度更快，时间会相对更慢，但最终还是引力时间膨胀效应占据上风。总体而言，飞机上的时间流逝速率会快于地面上，最终的实验结果证实了这一点，与广义相对论的预言完全吻合。
　　而根据这项最新研究，美国科罗拉多大学物理学家、中科院外籍院士叶军率领的研究团队，以前所未有的精度来验证广义相对论。通过激光冷却技术，物理学家利用锶原子研制出了光晶格钟，精度比此前提高了50倍。
　　物理学家把两个光晶格钟放置在不同的高度，相差仅仅只有1毫米。实验结果表明，高度更高的原子钟走快了0.0000000000000000001，也就是1000亿亿分之一（1/10^19），这与广义相对论的预言完全符合。
　　在生活中，如此小的时间差异我们不可能感知出来，而且也毫无意义。但在高精尖的航天领域，爱因斯坦的相对论将会大显神通，必须要考虑相对论效应带来的影响。
　　以运行在地球同步轨道上的导航卫星为例，根据相对论，那里的时间每天会比地面上走快38微秒。虽然只有0.000038秒的误差，但由于信号以光速传播，累计一天后，定位误差可以超过10公里。因此，相对论效应其实关乎到我们的日常生活。
　　如果未来人类能够制造出虫洞，实现星际飞行，去到拥有极端引力的天体附近，比如黑洞，那么，太空旅行者的时间将会被大幅度放慢，越接近黑洞表面，时间越趋于静止。
　　如果太空旅行者在黑洞附近过一个月，然后再返回地球，这时会发现地球上的时间已经过了很多年，有可能是成百上千年之后。当时出发时的那些地球亲友都可能早已不在，而对于太空旅行者来说，时间才过了一个月，他们与当时并没有什么变化。
　　参考文献
　　[1] Tobias Bothwell, Colin J. Kennedy, Jun Ye, et al. Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample, Nature, 2022, 602, 420-424.