100多年後,仍是最成功的理論

2022年03月15日11:31

  來源:原理

  143年前,1879年3月14日,德意誌南部小城烏爾姆的一個猶太家庭迎來了一個新生命,取名阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)。

  儘管愛因斯坦本人非常不喜歡慶祝生日,但一百多年後,這一天已經成了全世界愛好物理的人共同慶祝的“節日”。

  如今,這個名字已然成了當代物理學的代名詞。時至今日,他的理論仍然散發著不同尋常的光芒。新的實驗和研究仍在不斷驗證他的正確性。

  阿秒之內的光電效應

  當光照射到一種材料時,電子可以從材料中被釋放出來,這就是著名的光電效應。愛因斯坦最早在“1905奇蹟年”發表了有關光電效應的理論。它成了馬克斯·普朗克(Max Planck)光量子假說的決定性證據,並為現代量子理論鋪平了道路。愛因斯坦也因此成為1921年諾貝爾物理學獎得主。

  光量子,也就是光子,會引起金屬板中的電子(小圖中的紅球)發射。| 圖片來源:Ponor / Wikimedia Commons

  雖然這種效應在量子理論的發展中起到了重要作用,但有關它仍有許多謎團沒有解開。比如,人們還不清楚,光子被吸收後,電子釋放出的速度有多快。直到近日,一組研究團隊利用反應顯微技術找到了這個問題的答案。電子放射的發生“在電光火石間”,也就是數阿秒之內。

  光子吸收和電子發射之間的間隔非常難測量,因為這段時長格外短,甚至無法進行直接測量。

  在這項新研究中,團隊採用了間接方法。研究人員向反應顯微鏡中心的一氧化碳(CO)樣本發射了極強的X射線。一氧化碳分子由一個氧原子和一個碳原子組成。這束X射線具有恰到好處的能量,可以將其中一個電子從碳原子的最內層電子殼中移出。這個分子隨之破裂。然後,他們對氧原子和碳原子以及釋放的電子進行了測量。

  由於一氧化碳分子的影響,電子發射並非完全對稱的。一氧化碳的靜電場會影響電子發射的延遲時間,而延遲程度則取決於電子被拋出的方向。同時,團隊利用探測器上的干涉圖樣的特徵確定了這種延遲的時間。測量結果表明,發射電子確實只需要幾十阿秒。同時,這一時間間隔也取決於電子飛出的方向和電子的速度。

  依舊成立的洛倫茲對稱性

  雖然愛因斯坦因為光電效應獲得了諾貝爾獎,但他對物理學的貢獻遠不止於此。愛因斯坦的相對論是20世紀和21世紀物理學不可或缺的基石理論。

  相對論認為,光速是速度的極限,宇宙中物質運動的速度永遠不會超過光速。這則“金科玉律”可以通過洛倫茲對稱性破缺(或洛倫茲不變性破壞)進行檢驗。

  簡單來說,相對論要求物理定律遵守洛倫茲對稱性,這已經被無數次地驗證。但一些量子引力理論則認為,在極高的能量下,相對論存在需要被修正的可能性,在這種情況下,洛倫茲對稱性可能發生破缺,此處也正是尋找“新物理”的窗口。

  礙於目前實驗技術的限制,在實驗室中創造出這種相應的高能條件還很睏難,但是宇宙中天然存在著能量極高的過程,洛倫茲對稱性破缺在這些高能粒子中也更容易探測到。洛倫茲對稱性破缺會造成高能光子的不穩定和快速衰變,這可以理解成,高能光子在它的旅途中會“自動消失”,在觀測中就會出現能譜上特定能量的截斷現象。

  LHAASO位於四川稻城,是我國自主設計建造運行的宇宙線觀測實驗。| 圖片來源:IHEP/LHAASO Collaboration

  今年2月,我國高海拔宇宙線實驗LHAASO利用高能伽馬射線觀測結果,檢驗了洛倫茲對稱性,這是迄今為止對此類洛倫茲對稱性進行的最嚴格的檢驗。結果再一次證實了愛因斯坦理論的正確性。研究並沒有發現任何“消失”跡象,也就是說,洛倫茲對稱性在這種高能狀態下仍然成立。

  最小尺度上的時間膨脹

  愛因斯坦的廣義相對論預言,一個大質量物體的引力場會扭曲時空,當你越靠近這個物體時,時間也會流逝得更慢。這個現場被稱為引力時間膨脹,它是可以測量的,特別是在像地球這樣大物體的附近。近日,科學家利用原子鐘已經在目前達到的最小尺度,也就是毫米尺度上,測量了時間膨脹。

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  原子鐘是迄今發明的最精確的計時裝置,它通過探測原子中的兩個電子態之間的躍遷能來計時。最好的原子鐘格外穩定,即使運行了宇宙年齡的時長後,誤差仍不到一秒。這種精確度也讓科學家有機會進行許多驚人的實驗。

  根據廣義相對論,處於引力場中不同高度的原子鐘會以不同的速度運轉。當在更強的引力(距離地球更近)下觀測時,原子輻射的頻率會降低,也就是向電磁波譜的紅端移動。換句話說,在低海拔地區,原子鐘運轉得更慢。這種現像已經被實驗反複證實。

  在新研究中,由物理學家希蒙·科科維茨(Shimon Kolkowitz)領導的團隊在原子鐘的穩定性上邁出了一大步。同時,另一個由華人科學家葉軍領導的團隊則測量了一個由約10萬個超冷鍶原子組成的單一樣本的頂部和底部之間的頻率偏移,從而展示了兩個相隔僅一毫米(也就是差不多一根鉛筆尖寬度)的微型原子鐘會以不同速率運轉。

  葉軍和團隊的新實驗採用了一系列創新,使得原子的能量狀態得到了很好的控制。實驗測得的整個原子雲的紅移非常小,大約在0.0000000000000000001的範圍內。團隊繪製了時間膨脹的線性斜率隨垂直距離的變化,結果正如廣義相對論所預測的。

  儘管這種差異對人類而言太小了,以至於我們完全無法直接感知,但時間膨脹效應對宇宙以及GPS等技術具有重大影響。更穩定、性能更好的原子鐘在計時和導航之外還存在著更多的潛在應用,包括在基礎科學領域幫助探索量子力學與引力的聯繫,或者尋找暗物質的存在。

  #創作團隊:

  撰文:Gaviota

  排版:雯雯

  #參考來源:

  https://aktuelles.uni-frankfurt.de/englisch/einsteins-photoelectric-effect-the-time-it-takes-for-an-electron-to-be-released/

  https://www.cas.cn/syky/202202/t20220210_4824923.shtml

  https://phys.org/news/2022-02-einstein-relativity-theory-strict-based.html

  https://physicsworld.com/a/gravitational-time-dilation-measured-on-centimetre-and-millimetre-scales-in-atomic-clocks/

  https://www.nist.gov/news-events/news/2022/02/jila-atomic-clocks-measure-einsteins-general-relativity-millimeter-scale

  https://news.wisc.edu/ultraprecise-atomic-clock-poised-for-new-physics-discoveries/

  #t圖片來源:

  封面圖素材來源:EHT / HOTAKA SHIOKAWA

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