在愛因斯坦的宇宙中，飛機和樓梯都是時間機器

如果您曾經發現自己詛咒樓上的吵鬧鄰居，請從他或她比您衰老得更快這一事實中獲得安慰。

愛因斯坦的廣義相對論預測，不同引力勢的時鐘滴答速率不同——海拔較高的時鐘比更靠近地球中心的時鐘滴答得更快。換句話說，在您鄰居的樓上公寓裡，時間過得比在您的公寓裡更快。

更復雜的是，愛因斯坦的狹義相對論（比廣義相對論早十年）預測了運動時鐘的類似效應——靜止時鐘比運動時鐘滴答得更快。這就是著名的雙生子悖論的來源：在宇宙飛船上以極高的速度進行往返旅行後，旅行者返回地球會發現她的雙胞胎兄弟姐妹比她年長，因為在運動的飛船上時間過得比在地球上更慢。

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這兩種所謂的時鐘膨脹效應已經在過去幾十年的許多實驗中得到驗證，這些實驗傳統上依賴於大尺度的距離或速度。在 1971 年的一項里程碑式測試中，聖路易斯華盛頓大學的約瑟夫·C·哈菲勒和美國海軍天文臺的理查德·E·基廷乘坐商用噴氣式飛機環球飛行，然後將這些銫原子鐘與地面參考時鐘進行比較，發現它們像相對論預測的那樣發生了分歧。然而，即使在噴氣式飛機的速度和高度下，相對論時間膨脹的影響也是微小的——在哈菲勒-基廷實驗中，原子鐘在旅程結束後僅相差幾十到幾百納秒。

得益於改進的計時技術，類似的演示現在可以在實驗室中更普通的尺度上進行。在 2010 年 9 月 24 日《科學》雜誌上描述的一系列實驗中，國家標準與技術研究院 (NIST) 的研究人員記錄了兩個高精度光學原子鐘之間的時間流逝差異，當其中一個時鐘升高僅三分之一米或當一個時鐘以小於每秒 10 米的速度運動時。

同樣，這些影響非常微小：升高的時鐘需要數億年才能比其對應的時鐘多記錄一秒，而以每秒幾米的速度移動的時鐘需要執行大約相同的時間才能比其靜止的對應時鐘落後一秒。但是，基於鋁離子的光學時鐘的開發，可以在大約 37 億年內將時間保持在一秒內，這使得研究人員能夠揭示那些微小的相對論效應。“人們通常認為這是可以忽略不計的，但對我們來說並非如此，”NIST 的主要研究作者詹姆斯·陳文·周說。“我們絕對可以看到它。”

NIST 小組的光學時鐘使用雷射探測射頻阱中捕獲的鋁離子的量子態。當雷射的頻率恰到好處時，它會與鋁離子中量子態之間的躍遷發生共振，該躍遷的頻率隨時間恆定。透過不斷調整雷射以驅動鋁躍遷，這種相互作用僅發生在接近 1.121 皮赫茲（每秒 1.121 千萬億次迴圈）的微小視窗中，雷射的頻率可以穩定到極其靈敏的程度，使其可以充當鐘擺。“如果我們將振盪器的頻率（在我們的例子中是雷射）錨定在鋁中不變的、穩定的光學躍遷上，那麼雷射振盪就可以充當時鐘的滴答聲，”周解釋道。

為了說明光學時鐘的靈敏度，周指出，研究中的兩個計時器在樓梯上僅僅一步的高度變化後就產生了差異——更不用說您與吵鬧的鄰居之間隔著的整個樓層——或者僅僅是每秒幾米的速度運動。“如果你推女兒盪鞦韆，速度差不多就是這樣，”他說。

加州大學伯克利分校的原子物理學家霍爾格·穆勒指出，過去，此類相對論實驗要麼涉及大規模的距離或速度，要麼涉及振盪速度太快以至於無法可靠地計數其滴答聲以進行計時。“你能製造出如此出色的光學時鐘，以至於現在可以在實驗室中看到相對論，這是一項巨大的成就，”他說。

穆勒使用原子干涉儀對相對論效應進行精確測量——這些測量不是依賴於計數單個振盪，而是依賴於跟蹤代表單個原子的量子波之間的干涉。（此類波的頻率比鋁時鐘中的皮赫茲雷射快數百億倍，簡直太高而無法監測和計數。）這個過程類似於敲擊兩個音叉，聆聽它們干涉的脈動，而無需實際測量每個音叉振動了多少次。從這個意義上說，原子干涉儀是沒有鐘錶的鐘擺，因此，儘管它們可以進行非常精確的物理測量，但不能用於計時。

“這項新工作在熟悉的距離和速度尺度上執行，時鐘可以用於通用計時應用，”穆勒說。“他們看到了廣義相對論和狹義相對論的影響，這使得相對論成為你可以看到和觸控的東西。”