14年监测时钟：“无聊”实验证明了自然法则的“永恒”

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14年监测时钟：“无聊”实验证明了自然法则的“永恒”是怎么回事，是真的吗？2018年06月13日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                14年监测时钟：“无聊”实验证明了自然法则的“永恒”
                               
                                比奈斯?派特拉（Bijunath Patla）的实验听起来真的挺无聊：收集 12 个世界上最精确的时钟，然后盯着它们嘀嗒作响。整个实验就像是物理学家以专业视角观察油漆干燥的过程。派特拉的
                               
                               


比奈斯?派特拉（Bijunath Patla）的实验听起来真的挺无聊：收集 12 个世界上最精确的时钟，然后盯着它们嘀嗒作响。整个实验就像是物理学家以专业视角观察油漆干燥的过程。派特拉的团队位于科罗拉多州博尔德市的美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology, NIST）。他们于 1999 年 11 月 11 日开始监测时钟，观察了大约 4.5 亿秒——这花了他们 14 年的时间。
不过，他们的耐心最终得到了回报。在 2018 年 6 月 4 日发表在《自然?物理》（Nature Physics）杂志上的一篇论文中，派特拉的团队揭示了这个极其单调的实验所产生的深远影响。
派特拉说，他们所观测的时钟，实际上阐释了物理学定律中最基本的原理之一：宇宙中没有任何一段时间或一个地点是特殊的。这是爱因斯坦广义相对论的基本思想之一，它是一套准则，准确地描述了行星绕太阳运行的方式，以及中子星如何碰撞产生引力波。不管是 45 亿年前月球形成时，还是在千禧年人们欣赏摇滚乐的时候，物理学定律都没有变化过。
这看上去是个人尽皆知的道理。今天扔出去的球，它的落地方式会和昨天一样。但是我们怎么确认随着时间的流逝，物理学定律真的没有一点一点发生变化呢？一直以来，始终有一个隐藏的逻辑假设支撑着所有的科学：我们认为飞机会飞，因为它总是这样；我们认为把小苏打和醋混在一起会产生泡沫，因为它总是这样。但是如果物理定律随着时间和地点慢慢发生了变化，而我们又不能准确意识到呢？
蒙大拿州立大学（Montana State University）的物理学家尼古拉斯?尤尼斯（Nicolas Yunes）认为，这些改变可能是非常非常小的。尽管迄今为止所有的证据都表明物理定律不会改变，但你永远无法完全确定。
他说：“我们测量的一切都只是近似准确的。如果你用尺子测量距离，那么测量的精度就和尺子相关。”
要想抓住物理定律变化的踪迹，你就必须一次又一次地执行同一项任务，在尽可能多的地点进行精确的测量。如果结果发生了变化，那就提示着自然法则发生了变化。派特拉团队正是在做这样的实验：紧盯时钟滴答作响，长达 14 年之久。
世界上最精确的时钟派特拉团队之所以选择原子钟（atomic clocks），是因为它们是迄今为止人类发明的最精确的机器。这些时钟不是按照钟摆的摆动或石英晶体的振动来计时，而是跟随原子的稳定节拍计时。这些原子被设计成能发出光波，以每秒数十亿次的频率振荡。派特拉的时钟正是利用了这种光的周期——它异常稳定，即使运行数千万年，这类时钟也不会增加一秒或损失一秒。


物理学家用这台氢原子钟验证爱因斯坦的广义相对论。图片来源：NIST
但是派特拉的团队对保持时间精确不感兴趣，他们正在研究时钟里原子发射出的光。光的颜色能告诉你发射这束光的原子结构——原子核和电子相互作用的方式。一个原子的原子核和它的电子都具备轻微的磁性，从而会对彼此形成一个轻微的牵拉力——它们之间存在磁相互作用。
派特拉的实验室之所以选择研究这种模糊晦涩的现象，是因为他们可以在时钟上精确地观察它。这些时钟被放在一个温度和湿度恒定的房间里，其中的原子被保存在真空密封的空间内。NIST 的员工轮流轮班，把时钟维护的恰到好处。“如果温度变化超过 0.5 度，他们就会得到警报去修正它。”派特拉说，“大部分都是自动化的，但是有人一直在看，也有人拿着传呼机随时待命。”派特拉的团队可以把握他们所能想到的每一个环境影响因素，即使是地球的重力，也逃不出他们的名单。
他们还想知道，磁相互作用是否能以相同的方式发生在不同的原子上，所以他们使用了两种不同类型的时钟，其中一个包含氢原子，另一个包含铯，后者质量是前者的 100 倍。
在传说中由伽利略完成的著名实验里，从比萨斜塔上扔下两个相同质量的物体，不管它们的成分如何，二者的加速度是相同的。派特拉的团队进行的实验和这类似，他们想要看看两个由不同数量的质子、电子和中子组成的不同种类原子内的磁相互作用，在不同的时间和空间中的表现是否也是一样的。
所以从 1999 年 11 月到 2014 年 10 月，他们一次又一次地观察着这些磁相互作用，他们还能在不需要物理移动时钟的情况下观察多个位置下的相互作用。从技术上讲，时钟是绕着地球和太阳转的，所以每一天、每一次测量实际上都处在宇宙的不同位置。派特拉说：“我们已经让实验室绕着太阳移动了 14 圈。”他没想耍小聪明——事实证明，地球在宇宙中的运行路线是不规则的，还会经过一些意料之外的区域。因为地球的轨道并不是一个完美的圆形，它的轨道随太阳变化，时钟的位置移动也随重力改变。

铯喷泉钟，世界上最精确的钟之一。 插图：Geoffrey Wheeler
不变的定律结论如何？即使处在地球轨道的不同位置，铯和氢的亚原子粒子在 14 年的时间里也表现得完全一样。派特拉的团队利用人类工程学所能提供的最好的工具，证明了物理学定律在时间和空间上都是不变的。
没有参与到实验中的佛罗里达大学的物理学家克利福德?威尔（Clifford Will）说，如果结论适用于地球，那么在其他地方也不会有太大的偏差。这个假设并非无稽之谈，有一些证据表明，地球上的物理学定律在其他星系或宇宙中的其他时间带中都是通用的。
威尔对这个结果并不感到惊讶。但如果他们发现原子内的磁相互作用每天都在变化，就会颠覆现在的物理理论。威尔提到，“如果你的确有所发现，那就值得去突破极限。”
尽可能地确认物理学定律是很重要的。尤尼斯称，爱因斯坦的广义相对论在描述宇宙中观察到的大部分现象时，其效果真是令人难以置信，但它不能解释一切。它没有解释暗物质是什么，也没有解释为什么宇宙正在加速膨胀。所以这个理论中仍然有一些缺失，而这些测试将帮助物理学家弄清楚它是什么。
派特拉的团队计划用升级后的时钟来做这个实验，介时观察磁相互作用的精确度将提升三倍。但是他们最终能否找到关于宇宙本质的新线索，只有时间会给我们答案。
翻译：李杨 审校：魏潇