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时间延缓的广义相对论效应

由地球发射雷达脉冲，到达行星后再返回地球，测量雷达往返的时间，比较雷达波远离太阳和靠近太阳两种情况下，回波时间的差异.太阳引力将使回波时间加长，称为雷达回波延迟.例如地球与水星之间的雷达回波的最大时间差可达.这类测量是目前对广义相对论中空间弯曲的最好检验.70年代末，测量值与理论值之差约为1%，到80年代，利用火星表面的“海盗着陆舱”宇宙飞船，已将回波延迟测量的不确定度从5%减小到0.1%，大大提高了检测精度.空间探测器的出现使得测量太阳引力场更显著一些的时间弹性效应成为可能.用雷达发射器向位于太阳另一侧的一个空间探测器发出一个无线电讯号，讯号被探测器反射并返回地球．全程的时间在地球上记量．被太阳引力变曲的几何使得这个时间与讯号在平坦真空中传播的时间不同.这个实验是在1971年用水手号探测器进行的，它再次证实了时间延迟效应.1968年沙皮罗设计的广义相对论的第四个验证“雷达波传播中的时间延迟”取得成功.它证实广义相对论的预言是正确的.这个预言是说，由于光线在引力场中一般沿曲线传播，与无引力场时相比，其传播时间要变慢.所有这些广义相对论实验都只涉及太阳系的引力场，而这个场是处处都很弱的，也是定常态的(即不随时间变化).这个繁荣的实验引力时代激发了理论家们的想象，许多引力理论被提出来与爱因斯坦理论竞争.那些理论大多含有一些附加参量，可以由发明者随意调节.这类理论中最著名的一个是由德国物理学家帕索·约丹和法国物理学家叶维·台里提出，后来由美国物理学家卡尔·布兰斯和罗伯特·迪克所发展的(迪克本人对实验引力的发展有着卓越的贡献).由于附加参量的灵活性，那些理论可以被调节得能说明太阳系里观测到的所有效应.那么，怎么能确定究竟那一个理论是正确的呢?只有通过分析所有这些理论对强的、动态的(即随时间迅速变化)引力场情况所作的预测，才得作出回答.然而在相当长的时期里，自然界并未给我们提供合适的检验场历，直到1974年双脉冲星的发现，情况才有大变.这两个靠得很近且相互绕转的中子星的轨道周期在变短(由于辐射出引力波，双星系统的能量减少)，观测结果与爱因斯坦理论一致，而与所有其他参与竞争的理论都不相符

I.夏皮洛于1964年建议，测量雷达信号传播到内行星再反射回地球所需的时间，来检验广义相对论，为此他进行了长期的测量.到70年代末期，这类测量所得的数据同广义相对论理论值比较，相差约1％.这类实验也可以在地球引力场中，通过测量人造卫星的雷达回波的时间延迟来进行.

有一高塔和两个一模一样的钟，将两钟调到同一时间，然后一个放在塔顶，一个放在塔底，请问哪个快呢？还是一样快呢？(A)．根据常识人们会说两个都一样快.(B)．根据钟摆的等时性，下边的g大一些，T小一些，下边的快.(C)．根据狭义相对论，这两个钟没有相对运动，一样快.(D)．若考虑地球自转，塔顶的钟线速度大一些，根据狭义相对论，上边的钟慢一些.(E)．根据广义相对论，在象地球这样的大质量的物体附近，时间显得流逝得更慢一些，也就是下边的钟慢一些.笔者认为E的观点是正确的.

1.很多科学家认为除了速度可以影响时间进程之外，重力也会放慢时间前进的脚步，计算表明地球的重力每300年可以让钟表慢1微秒，这一点已在实验中得到验证.1971年美国的学者曾做过一个实验，在环球飞行的飞机上放了4个与地面校对好且精度极高的原子钟，虽然飞机的速度无法与光的速度相比，但实验结束时，人们还是惊奇地发现飞机上的钟比地面慢了59纳秒.1976年美国物理学家罗伯特-维索特向太空中发射了一枚载有时钟的火箭，他观察到这个时钟与放置在地球上同样的时钟相比，多获得了1/10微秒.全球定位系统——GPS的应用也已普及化了，许多城市的公共汽车、出租车上都安装了它.早期的GPS接收器确定物体位置的误差是在15米范围内，这个误差实际是需要爱因斯坦相对论来修正.每个GPS卫星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒.卫星所受的较弱引力添加了另一种相对论效应，使得时钟每天快45微秒.因此，为了得到准确的GPS数据，将星载时钟每天拨回38微秒的修正项必须计算在内.因为广域增强系统依赖从地面基站发出的额外信号，配备了该系统的GPS接收器，就消除了相对性误差.根据爱因斯坦的相对论，原子钟在强重力下比在弱重力下摇摆频率更慢，由于国际空间站上的重力比地球表面的弱，PARCS原子钟每过10000年，就会比地球上的原子钟延长1秒钟.

2.科学家以万倍精度验证爱因斯坦相对论研究团队成员包括诺贝尔奖得主朱棣文

北京时间2010年2月24日消息，据国外媒体报道，一支由著名华裔物理学家、诺贝尔奖得主朱棣文等人组成的美国科学家团队近期验证了爱因斯坦相对论关于时间流逝的精确性，他们通过验证得出的精确度比以前提高了10000倍.

在爱因斯坦相对论中，描述了关于重力对时间流逝的影响.理论认为，时间流逝的速度依赖于你所处的位置.距离重力源越远，时钟运转的越快；反之，越靠近重力源，时钟运转的越慢.

一百年来，科学家们进行了各种试验对爱因斯坦相对论进行了论证和研究.1976年，科学家们曾经利用火箭将一个原子钟送到距离地面10000千米的高空，共用了115分钟.他们发现，火箭上的原子钟所测量出的时间比地面上的原子钟所测量的时间要长.

现在，美国科学家则更进一步，他们以比以前精确10000倍的精确度验证了爱因斯坦的时间相对论.研究团队成员还包括了著名的华裔物理学家、诺贝尔奖得主、美国现任能源部长朱棣文，他们的研究成果发表于《自然》杂志上.

科学家们利用一个其中包含三束激光的激光陷阱来射击铯原子波，使其像喷泉一样上下起伏.这种波被用作超高速时钟，振荡速度接近每秒10^24(10的24次方)次.科学家们所采用的技术实际上调用了一个奇怪但真实的量子力学现象，即原子可以被同时刺激成两种状态.在其中一种状态中，原子会被激光脉冲推移大约1毫米的十分之一，这样它就会与地球的重力场远离一点点.而在另外一种状态中，原子仍然保持不动.瞬间后，第二束激光束再将这些被推移的原子送到下方，然后将保持不动的原子送到上方.接着，第三束激光束继续将同一个原子再生为两种状态.科学家们的目标就是测量在这些状态中原子波的能量振荡差异.

在0.3秒的自由落体时间里，这些波共额外振荡了大约100万次.换句话说，重心引力的稍微减弱，引起了时间多流逝一点.美国加利福尼亚大学伯克莱分校助理教授霍尔格-穆勒认为，这一数字是正确的.穆勒介绍说，“如果自由落体的时间延长到宇宙的年龄140亿年的话，那么上下路线之间的时间差异将只有百分之一秒，而测量的精确度将达到60微微秒.”穆勒认为，这一结果将有力地支持爱因斯坦的理论.他表示，“这项实验证明了重力确实在改变时间的流逝速度，这也是广义相对论的基本概念.”这项研究也对实践应用有很大的帮助，比如，卫星定位系统可以发出更精确的同步信号，卫星导航仪用户在定位自己的位置时精确度可达到毫米级.当然，这种精确度也很容易受到影响.哪怕卫星的高度出现仅仅一米的变化时，就可能会破坏这种精确度.

3.爱因斯坦又对了！世界上最精确的时钟证实：低1毫米时间也会变慢

在地球上，住的楼层越低，时间就过得越慢.虽然听起来像是玄学，但这却是科学结论，已经被科学家用可以高精度计时的原子钟验证过.爱因斯坦的伟大，相信很多人都知道，他最著名的科学理论就是相对论.相对论分为狭义相对论和广义相对论.

广义相对论认为物质的存在能够影响时空，并得出一个结论：引力场越强，时间越慢.住的楼层越低，地球的引力场也就越强，所以才有低楼层比高楼层时间过得更慢一点的结论.不过这种时间变化十分微小，普通的计时器根本测不出来，要用原子钟.

2022年2月，世界知名科学杂志《自然》上分别刊登了美国研究团队的最新研究成果，文章显示，这个研究团队分别利用锶原子钟首次在毫米尺度验证了广义相对论中的时间膨胀效应.实验证实，在毫米尺度上，广义相对论也是正确的.由于不同引力场区域的时间流逝速度是不同的，这次实验测得，在地球上高度相差一毫米，其中低一毫米的那个原子钟的时间会比另一个慢一千亿亿分之一.即1毫米高度差，会产生一千亿亿分之一的时间差.该研究团队来自于美国天体物理联合实验室（JILA）.这个实验室由美国国家标准与技术研究所(NIST)与美国科罗拉多大学博尔德分校联合运营.据JILA团队成员叶军（华裔物理学家、美国科学院院士、中国科学院外籍院士）介绍，JILA团队之所以能在毫米尺度验证广义相对论，就是因为采用了这种现在世界上计时精度最高的时钟.他们让锶原子钟达到了非常精确的程度，从宇宙诞生至今的138亿年时间里，误差还不到0.1秒.而在2010年，NIST的物理学家已经利用原子钟在33厘米的尺度上验证了广义相对论中的这一结论.

原子钟是一种非常精确的计时器，诞生于上世纪50年代，它的诞生源于拉比及其学生对于磁共振的研究.不管是哪种计时仪器，本质上都是利用周期运动来计时.在一定条件的磁作用下，氢、铯、铷等原子会发生超精细跃迁，这种跃迁会辐射出一定频率的电磁波，利用这种频率就能进行十分精确的计时.在此之前，世界上最精确的计时器是利用石英晶体的振动频率来计时.它的精度虽然远没有原子钟高，但在日常生活中还是比较实用的，比如电子表用的就是它.现代国际单位制中，在转动的大地水平面上，处于基态的铯-133原子的两个超精细能级间跃迁时对应辐射的9192631770个周期的持续时间，被定义为一秒.那么科学家是如何在1毫米的尺度上利用原子钟测量时间差异的呢？据介绍，叶军团队利用6束激光先后将10万个锶原子冷却，并利用红外激光使之维持在超冷状态，并装入光学晶格中，构成原子团.然后再通过一定频率的激光，激发原子团，并测量不同区域发出的光的频率.

根据广义相对论，引力场越强，不仅时间会变慢，就连光的频率也会发生改变.在引力的作用下，光的频率会发生红移，即频率变低波长变长，这被叫作引力红移.引力场越强，这种红移量也就越大.在这次实验中，研究人员并没有使用两个独立的原子钟，而是通过测量同一个原子团中两个仅相差一毫米的区域所发出的电磁波在地球引力场中的红移量，来间接测量时间.科学家很早就知道广义相对论是正确的，那为什么还乐此不疲地不断验证？其实，科学之所以是人类认知世界最靠谱的方式，就在于它的严谨性，所有科学结论都可以通过实验进行验证.实验精度越高，反而更能证明该理论的正确性.此次对广义相对论更为精确的验证，美国科学家所采用的超高精度的原子钟，才是最值得注意的.GPS的应用就有广义相对论的功劳，原子钟精度的提高，也有望提高GPS的精度.由于引力在小尺度空间上十分微弱，在以往非常难以测量.现在这种使用同一个原子钟在微小尺度下进行高精度测量的技术，或许有助于人类研究暗物质与普通物质的相互作用，以及引力波等.