超冷钟表可能揭示量子物理如何改变时间

<p对于一个真正的量子对象来说，时间的运逝是什么样子？世界上最好的时钟可能很快就可以回答这个问题，测试时间在量子领域中如何伸缩和变化，让我们可以探索物理学中未曾探索的领域。

<p时间的流逝是可以变化的，或者说是可以扩张的，这一观念源于爱因斯坦的狭义相对论。爱因斯坦表明，当一个物体接近光速时，时间对其而言似乎比静止观察者慢。他通过广义相对论扩展了这一观念，表明引力场具有相同的时间扭曲效应。新泽西州史蒂文斯理工学院的伊戈尔·皮科夫斯基（Igor Pikovski）及其同事想要了解量子微观世界中的时间是否也会发生类似的变化，这需要通过由离子组成的超冷钟测试。

<p皮科夫斯基说：“到目前为止，我们进行的任何实验都能感知到类似经典时间的东西，这种时间与量子力学无关。”他说：“我们发现离子钟存在一种情况，其中该描述根本行不通。”

<p这些钟由成千上万的离子组成，通过激光的照射降至接近绝对零度的温度。在这些极端温度下，离子和其中的电子的量子状态可以通过电磁力得到非常精确的控制。因此，离子钟的节拍是由这些电子在两个特定的量子状态之间不断振荡来设定的。

<p由于它们的运作受到量子力学定律的支配，因此这些钟是皮科夫斯基及其同事探讨相对论和量子效应可能混合影响钟的节拍的理想场所。皮科夫斯基说，研究者已经确定了几种这种情况应该发生的实例。

<p一个例子源于量子物理学对虚空的厌恶。在极低温度下，量子对象不能完全静止和冻结，而是必须进行波动，随机获得或失去能量。研究团队的计算表明，这些波动可能会扩张时钟对时间的测量。这种影响非常微小，但很可能可以通过现有的离子钟实验观察到。

<p研究人员还对如果对一个钟的离子进行“挤压”以产生几个量子态的“叠加”会发生什么进行了数学建模。他们发现钟的滴答声，由离子中的电子确定，将与离子本身的运动密切相关 – 离子和电子的状态将变成量子纠缠的状态。科罗拉多州立大学的团队成员克里斯蒂安·桑纳（Christian Sanner）说：“通常在实验中，您需要进行技巧以工程化纠缠。这里的迷人之处在于不管你愿不愿意，它就会出现。”

<p皮科夫斯基说，量子对象处于多种状态叠加时可能无法体验到单一时间感，这在直到现在尚未在实验中观察到。他说，这在不久的将来应该是可能的。

<p史蒂文斯理工学院的团队成员加布里埃尔·索西（Gabriel Sorci）表示，下一步是添加另一个关键的现代物理学元素 – 重力。超冷钟已经可以检测由地球引力微小变化引起的时间扭曲，例如当其上升甚至几毫米时，但如何将这种效应与时钟固有的量子性相结合是一个未解之谜。

<p科罗拉多州美国国家标准与技术研究所的大卫·休姆（David Hume）表示：“我认为根据我们当前拥有的技术，这实际上是相当合理的。”他说，最大的挑战将是阻止时钟环境中的微小干扰压倒皮科夫斯基团队暗示的效应。如果成功，这样的实验将使研究人员能够探索他们以前从未涉及过的物理现象，尽管量子理论和狭义相对论是长期支撑当代物理学的两大支柱，他说。

<p新罕布什尔州圣安瑟尔姆学院的亚历山大·史密斯（Alexander Smith）表示：“这样的实验令人兴奋，因为它们迫使这些理论在一个领域相互对抗，而在这个领域中我们有可能学习到一些新知识。”