阿爾伯特·愛因斯坦的雙生子悖論是物理學中最著名的思想實驗之一。它假設，如果將一對雙胞胎中的一個以接近光速的速度送往一顆恆星進行往返旅行，那麼當他們返回家園時，他們會比他們的同卵兄弟姐妹年輕。這種年齡差異是時間膨脹的結果，愛因斯坦的狹義相對論對其進行了描述：你移動的速度越快，時間流逝的速度就越慢。
但是，如果我們將量子理論引入這個問題呢？聖安塞爾姆學院和達特茅斯學院的物理學家亞歷山大·史密斯以及聖克拉拉大學的邁赫迪·艾哈邁迪在今天發表在《自然通訊》雜誌上的一項研究中探討了這個想法。科學家們想象測量一個處於疊加狀態的量子原子鐘所經歷的兩種不同時間——疊加是量子力學的一個怪癖，在這種狀態下，某物似乎同時存在於兩個地方。“我們從愛因斯坦的狹義相對論中知道，當一個時鐘相對於另一個時鐘移動時，它顯示的時間會變慢，”史密斯說。“但是量子力學允許你開始思考，如果這個時鐘以兩種不同的速度的疊加態移動會發生什麼。”
疊加是量子物理學的一個奇怪方面，即一個物體最初可以同時位於多個位置，但當它被觀察時，只有一個狀態變為真實。粒子可以在某些實驗中處於疊加狀態，例如使用分束器來分割光子，以展示這種現象的運作方式。疊加狀態中的兩個粒子似乎共享資訊，直到它們被觀察到，這使得該現象可用於加密和量子通訊等應用。
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與此同時，一些原子可以充當原子鐘，其衰變速率標誌著時間的流逝。在他們的論文中，史密斯和艾哈邁迪描述了，如果一個疊加狀態以每秒幾米的速度移動，而另一個狀態保持靜止，那麼處於疊加狀態的原子鐘如何像愛因斯坦的雙胞胎實驗一樣經歷時間膨脹。這些狀態實際上會以不同的方式衰老，而不是像薛定諤的貓實驗中描述的那樣，原子僅僅處於兩種狀態。“這有點像‘薛定諤的時鐘’，”史密斯說。
牛津大學的物理學家弗拉特科·韋德拉爾（他沒有參與這項研究）說，這個想法為將量子力學與相對論相結合提供了一個難得的機會——這兩個物理學領域之間臭名昭著地難以融合。“你實際上可以將量子力學中的疊加原理與相對論中的時間膨脹概念相結合，”他說。“這正是愛因斯坦的雙胞胎，但現在應用於同一個系統。這就是轉折點。最終狀態非常驚人，因為原子回到了你開始時的相同位置，但在內部，它感覺到了兩個不同的時間。它處於同時變老和變年輕的疊加狀態。”
儘管這種效應太小，人類無法察覺，但量子時間膨脹的這種想法可能會對高精度量子時鐘產生影響。而且至關重要的是，這項新研究表明，有可能透過實驗來測量這種效應。“我希望這篇論文真正促使人們嘗試在實驗室中進行這項研究，”韋德拉爾說。史密斯建議，可以在不久的將來起草一份實驗方案，或許可以使用光譜學來分割光線，以尋找量子時間膨脹的這種特徵。“我們可能在未來五到十年內看到這一點，”他說。“我根本不認為這是科幻小說。”