用原子鐘測試時空的對稱性

根據愛因斯坦的理論，光速總是相同的。但根據量子引力的理論模型，這種時空的均勻性並不適用於粒子。物理學家們現在試圖用兩個光學鐿鍾來探測時空均勻性的變化.

愛因斯坦在他的狹義相對論中提出了一個假設，根據這個假設，無論條件如何，光速總是相同的。然而，根據量子引力的理論模型，這種時空的均勻性可能並不適用於粒子。物理學家們現在已經通過對德國聯邦科學技術公司(PTB)的兩個光學鐿鐘的首次長期比較，驗證了這一假設。用這些誤差僅為100億年一秒的鐘，應該可以測量出鐿中電子運動的極小偏差。但當時鐘在太空中指向不同時，科學家們沒有發現任何變化。由於這一結果，用實驗來測試時空對稱性的電流極限大大提高了100倍。此外，還證實了光學鐿鍾小於4×10E-18的系統測量不確定度極小。

這是歷史上最著名的物理實驗之一:早在1887年，邁克爾遜和莫雷就證明了愛因斯坦後來以理論的形式表達的觀點。在旋轉干涉儀的幫助下，他們比較了在垂直方向上兩個光軸上的光速。這個實驗的結果成為愛因斯坦狹義相對論的基本命題之一:光速在空間的各個方向上是相同的。現在有人可能會問:這種空間對稱性(以亨德里克·安托萬·洛倫茨的名字命名)是否也適用於物質粒子的運動?或者在能量不變的情況下，這些粒子的運動速度是更快還是更慢?特別是對於高能粒子，量子引力的理論模型預測了洛倫茲對稱性的破壞。

為了更準確地研究這一問題，用兩個原子鐘進行了實驗。這些原子鐘的頻率都是由存儲在阱中的單個Yb 離子的共振頻率控制的。雖然Yb 離子的電子在基態呈球對稱分布，但在激發態它們表現出明顯的拉長波函數，因此主要沿一個空間方向運動。波函數的方向是由施加在時鐘內部的磁場決定的。在兩個時鐘中，磁場方向被選擇為近似成直角。這些時鐘被牢牢地安裝在實驗室里，相對於固定的恆星，它們每天與地球一起自轉一次(更準確地說，每23.9345小時自轉一次)。如果電子的速度取決於空間的方向，這就會導致兩個原子鐘之間的頻率差異，這種頻率差異會隨著地球的自轉而周期性地發生。為了能夠將這種效應與任何可能的技術影響區分開來，我們對Yb 時鐘的頻率進行了1000多個小時的比較。在實驗過程中，在從幾分鐘到80小時的可接近的周期範圍內，兩個時鐘之間沒有觀察到任何變化。為了對Yb 離子的原子結構進行理論解釋和計算，PTB的團隊與美國特拉華大學的理論家合作。現在得到的結果將加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)研究人員在2015年設定的鈣離子極限值大幅提高了100倍。

平均在總測量時間內，兩個時鐘的相對頻率偏差均小於3×10E-18。這證實了之前估計為4×10E-18的時鐘的綜合不確定度。此外，它是在這種精度水平上表徵光學原子鐘的一個重要步驟。只有在大約100億年之後，這些時鐘才有可能彼此偏離一秒鐘。

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