相對論百周年，德物理學家再測「時間膨脹」

一分鐘的長度和表的運動速度有關，這和我們的直覺相違，也不符合我們的日常經驗。儘管如此，時間膨脹效應確實存在。1971年飛機攜帶原子表的實驗就提供了證據。德國物理學家希望瞭解得更深。現在，他們測到了精度在小數點後10位的時間膨脹效應。

德國馬普協會下屬的核物理研究所座落在美麗的城市海德堡附近，其核心設備是一台粒子加速器，它佔據的空間足有一個飛機庫那麼大。在那無數變壓器和真空泵的轟轟噪音下，薩特霍夫要想表達清楚並非易事。他對德國之聲記者說：「我們的實驗是從這兒開始的。這裡你看到的是法拉第籠，裡面是一個離子源。」

這位物理學博士指著一個香腸形狀的橘黃色容器，大小像一輛載重卡車。容器裡，帶電的鋰原子，也就是所謂的離子，在高壓作用下加速到每秒1.9萬公里的速度，相當於光速的6％，足夠在兩秒鐘內環繞地球一周。薩特霍夫和他的同事需要這些粒子旅行，為的是測驗愛因斯坦的理論是否正確。根據愛因斯坦1905年提出的狹義相對論，快速飛行的離子的內部時鐘應當比薩特霍夫手腕上戴的表要走得慢。薩特霍夫介紹說：「按照愛因斯坦的理論，應當慢差不多1.002倍，也就是說慢千分之二。我們這個實驗的創新之處就在於，利用雷射譜儀把1.002這個系數精確地測到其小數點後的第10位。」

鋰離子的旅行將在旁邊的大廳告終。那裡，強烈的磁場迫使它們沿著一個圓形軌道飛行。薩特霍夫說：「我們在這裡看到的是儲存環。離子是從這個出口離開加速器，進入儲存環的。你在這裡到處都可以看到四極的或兩極的強磁鐵。」

所謂的儲存環是一個55米長、盤成圓環狀的鋁管，裡面是真空，離子就在管子裡急速飛行。無數的線圈、電纜等其它電氣元件幾乎完全遮擋了這個儲存環。離子在裡面每秒鐘可以轉330圈。薩特霍夫介紹說：「這些粒子本身就是鐘表，因為粒子會振動。幾乎每一個表都是以振動系統為基礎的。比如說帶鐘擺的表，就是鐘擺在振動。石英錶是石英晶體在振動。原子也會振動，準確地說是原子裡的電子會振動。電子振動的頻率遠比石英高得多，所以利用電子或者說原子測量時間的精度，就遠比用石英晶體高得多。」

為了讀原子表的秒針，物理學家們利用的是雷射束。他們用雷射對快速飛過的鋰粒子外層的電子雲激發一定頻率的振動。此時離子會發出熒光，這束熒光就包含著離子內部鐘表的行走時間。薩特霍夫介紹說：「我們現在是在地下室。這兒是供電器。這裡的是我們的雷射房。這個雷射房其實就是我們在地下室裡簡單搭出來的一個小空間，因為直接在儲存環旁邊放雷射設備不合適。儲存環周圍的環境條件對雷射來說很惡劣，磁場雜散，還有亂糟糟的電磁波，也就是電子煙霧，都會影響雷射發生器的穩定性。所以我們在地下室造了一個雷射房，在這兒生成雷射，然後通過光纖傳送到儲存環那裡。」

在黑色的塑料簾子後面陰暗的燈光下，有一張乒乓球檯大小的桌子，上面擺著三台雷射發生器，還有一大堆的透鏡和反射鏡。科研人員花費了三年的心血，設計、建造和調試這套極其精確、用於測驗愛因斯坦相對論的光學系統。薩特霍夫說：「我們在這裡可是干了不少時間，有時甚至是通宵達旦。但在實驗項目的開始階段，方案還不明確的時候，我們可沒有得到很大樂趣。但當我們琢磨出應當怎樣下手時，情況就大有好轉。」

如今，薩特霍夫及其同事已經以小數點後10位的精度，實驗證實了愛因斯坦的時間膨脹理論，遠比以往任何有關實驗精確得多。但是對科學家們來說，這個精度還是不夠好，因此，他們已經計劃在德國達姆施塔特的重離子研究協會再進行一系列的實驗。那裡的加速器功率大，可以把鋰離子的速度加速到光速的33％。根據愛因斯坦的理論推算，那時，離子內部時鐘的1秒鐘，將會比薩特霍夫手表上的1秒鐘長出60毫秒。

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