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如果您曾經發現自己咒罵樓上吵鬧的鄰居，可以感到些許安慰，因為他或她衰老得比您快。
阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論預言，處於不同引力勢的時鐘滴答速率會有所不同——海拔較高的時鐘會比更靠近地球中心的時鐘走得更快。換句話說，時間在您樓上鄰居的公寓裡流逝得比在您的公寓裡更快。
更復雜的是，早於廣義相對論十年的狹義相對論預言，運動的時鐘也會產生類似的效果——靜止的時鐘會比移動的時鐘走得更快。這就是著名的雙生子悖論的根源：一名旅行者乘坐宇宙飛船以極高的速度進行往返旅行後，返回地球會發現她的雙胞胎兄弟姐妹現在比她年長，因為在移動的飛船上時間流逝得比在地球上慢。
這兩種所謂的“時間膨脹”效應已經在過去幾十年中的許多實驗中得到驗證，這些實驗傳統上依賴於大的距離或速度尺度。在1971 年的一項里程碑式的實驗中，聖路易斯華盛頓大學的約瑟夫·哈菲勒和美國海軍天文臺的理查德·基廷乘坐商業噴氣式飛機攜帶銫原子鐘環球飛行，然後將這些時鐘與地面上的參考時鐘進行比較，發現它們之間存在偏差，正如相對論所預言的那樣。但即使在噴氣式飛機的速度和高度下，相對論時間膨脹效應也非常微小——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。
得益於時間keeping技術的進步，現在可以在實驗室中以更普通的尺度進行類似的演示。在9 月 24 日出版的《科學》雜誌上描述的一系列實驗中，科羅拉多州博爾德市國家標準與技術研究所 (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，或者當其中一個時鐘以小於 10 米/秒的速度運動時。
再次強調，這些效應非常微小：升高的時鐘需要數億年才能比其對應時鐘多走一秒，而以幾米每秒速度移動的時鐘也需要執行大約相同的時間才會比靜止的對應時鐘慢一秒。但是，基於鋁離子開發的光學時鐘可以在大約 37 億年內保持一秒的精度，這使得研究人員能夠揭示這些微小的相對論效應。“人們通常認為這可以忽略不計，但對我們來說並非如此，”NIST 的博士後研究員、主要研究作者周欽文說。“我們絕對可以觀察到它。”
NIST 小組的光學時鐘使用雷射來探測儲存在射頻陷阱中的鋁離子的量子態。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，而鋁離子中量子態的頻率隨時間保持恆定。透過不斷調整雷射以驅動鋁躍遷，這種相互作用僅發生在 1.121 拍赫茲（每秒 1.121 千萬億次迴圈）附近的微小視窗中，雷射的頻率可以穩定到極其靈敏的程度，使其可以充當光學時鐘的“擺錘”。“如果我們將振盪器的頻率——在我們的例子中是雷射——錨定到鋁中不變的、穩定的光學躍遷，那麼雷射振盪就可以充當時鐘的滴答聲，”周解釋說。
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——更不用說將您與吵鬧的鄰居隔開的整個樓層了——或者僅僅是幾米每秒的運動速度。“如果您推女兒盪鞦韆，速度就差不多是這樣，”他說。
加州大學伯克利分校的原子物理學家霍爾格·穆勒說，過去，此類相對論實驗要麼涉及巨大的距離或速度尺度，要麼涉及振盪速度太快，以至於其滴答聲無法可靠地計數以進行計時。“能夠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。
穆勒使用原子干涉技術對相對論效應進行精密測量，這些測量不依賴於計數單個振盪，而是依賴於跟蹤兩個波之間的干涉。（這些波的頻率比鋁鍾中的拍赫茲雷射快數百億倍，因此太高而無法監測和計數。）這類似於敲擊兩個音叉以聆聽它們干涉產生的脈動，而無需實際測量每個音叉振動多少次。從這個意義上講，原子干涉儀就像是沒有鐘錶的擺錘，因此，儘管它們可以非常精確地進行物理測量，但它們不能用於計時。
“這項新工作在熟悉的距離和速度尺度上執行，使用的時鐘可以用於通用計時應用，”穆勒說。“他們觀察到了廣義相對論和狹義相對論的影響，這使得相對論成為一種您可以親眼看到和觸控到的現象。”