物理學家以前所未有的精度驗證了阿爾伯特·愛因斯坦狹義相對論的一個關鍵預測。德國粒子加速器實驗證實，對於移動的時鐘而言，時間比靜止的時鐘流逝得更慢。
這項工作是對愛因斯坦預測的“時間膨脹”效應迄今為止最嚴格的測試。這種效應的後果之一是，乘坐高速火箭旅行的人會比地球上的人衰老得更慢。
很少有科學家懷疑愛因斯坦是正確的。但描述時間膨脹效應的數學是“所有物理理論的基礎”，德國加興馬克斯·普朗克量子光學研究所的物理學家托馬斯·烏德姆說，他沒有參與這項研究。“以儘可能高的精度驗證它是至關重要的。”
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該論文於 9 月 16 日發表在 Physical Review Letters。它是包括諾貝爾獎獲得者、馬克斯·普朗克光學研究所所長特奧多爾·亨施在內的國際合作小組 15 年工作的結晶。
為了測試時間膨脹效應，物理學家需要比較兩個時鐘——一個靜止的時鐘和一個移動的時鐘。為此，研究人員使用了實驗儲存環，高速粒子在德國達姆施塔特 GSI 亥姆霍茲重離子研究中心被儲存和研究。
科學家透過將鋰離子加速到光速的三分之一來製造移動的時鐘。然後，他們測量了鋰內部的一組躍遷，因為電子在不同的能級之間躍遷。躍遷的頻率充當了時鐘的“滴答”。不移動的鋰離子內部的躍遷充當了靜止的時鐘。
研究人員測得的時間膨脹效應比以往任何研究都更精確，包括同一研究小組 2007 年發表的一項研究。“這比我們以前的結果好將近五倍，比其他人用來測量相對論時間膨脹的任何其他方法好 50 到 100 倍，”加拿大溫尼伯馬尼托巴大學的物理學家、共同作者傑拉爾德·格溫納說。
他指出，理解時間膨脹也具有實際意義。全球定位系統 (GPS) 衛星本質上是在軌道上的時鐘，GPS 軟體在分析導航資訊時必須考慮微小的時間偏移。歐洲航天局計劃在 2016 年向國際空間站發射其空間原子鐘組合 (ACES) 實驗時，在太空測試時間膨脹。
加州州立理工大學聖路易斯奧比斯波分校的物理學家馬修·梅韋斯說，快速移動的離子速度意味著加速器實驗可以比地球軌道實驗更精確地測試時間膨脹，他不是該團隊的成員。“重要的是儘可能地尋找機會，並儘可能地推動技術進步，”他說。
但該研究小組正在解散其長期合作關係，因為沒有更大的加速器可供他們進行更強大的測試。“這需要在地下室、有噪聲裝置的遮蔽室裡花費大量時間，最終你得到一個數字，”格溫納說。“我們一直在交換一堆懷舊的電子郵件。”
本文經許可轉載，於 2014 年 9 月 19 日首次發表。