超冷原子可以在量子领域测试相对论

由光和极冷粒子制成的微型“摩天轮”可以让研究人员测试阿尔伯特·爱因斯坦相对论的一个方面 在前所未有的小规模上。

爱因斯坦在 1900 年代初提出的狭义相对论和广义相对论揭示了移动的时钟比静止的时钟走得更慢，从而重塑了我们对时间的理解。如果你移动得足够快或者加速得足够，你测量的时间就会变长；如果你发现自己在原地踏步，同样的情况也会发生。这些现象已经在相对较大的物体上观察到，但瓦西利斯·伦贝西斯 (Vassilis Lembessis) 沙特阿拉伯国王大学的教授和他的同事现在也设计了一种方法来在很小的范围内测试它们。

为了研究我们可以控制的最小物体（原子和分子）的旋转和时间，他们转向了超冷领域，仅比最冷温度高几百万度。在这里，量子特性以及原子和分子的运动可以通过激光束和电磁场极其精确地操纵。事实上，2007 年，Lembessis 和其他几位同事开发了一种调谐激光束的方法，使原子能够被限制在圆柱体内并在圆柱体内旋转。他们称之为“光学摩天轮”，伦贝西斯说，他的团队的新计算表明，它可以用来观察超冷粒子测量的相对论时间膨胀。

他们的计算表明氮分子将是测试量子世界中旋转时间膨胀的良好候选者。将电子内部的运动视为内部时钟的滴答声，研究人员可以检测到小至十万亿分之一的滴答频率变化。

与此同时，伦贝西斯表示，迄今为止，光学摩天轮的实验相对较少。正因为如此，新的提议为在可能出现新的或意想不到的影响的未经探索的环境中测试相对论打开了大门。例如，超冷粒子的量子性质可能会对“时钟假说”提出质疑，该假说规定了时钟的加速度改变其滴答声的程度。

“检查和确认我们对自然界物理现象的理解非常重要。当我们遇到意外、意想不到的事情时，我们需要修正我们的理解并获得对宇宙更深入的理解。这项工作提出了一种检查相对论系统的替代方法，与机械装置相比，它具有一些明显的优势，”Patrik Öhberg 说 在英国赫瑞瓦特大学。

例如，艾丹·阿诺德说，虽然时间膨胀等相对论效应通常需要非常快的运动，但使用光学摩天轮可以使它们无需不切实际的大速度即可实现。 在英国斯特拉斯克莱德大学。 “凭借原子钟令人难以置信的精确度……摩天轮原子‘感受到’的时间变化应该是显而易见的。此外，由于加速的原子不会移动很远，因此有足够的时间来测量这种变化，”他说。

伦贝西斯说，改变激光束的焦点还可以控制限制粒子的摩天轮的大小，从而测试不同旋转的时间膨胀效应。但也存在技术挑战，例如确保原子或分子在旋转时不会升温并变得无法控制。