物理:检验时空的对称性

物理:检验时空的对称性

1887年,物理学家阿尔伯特·迈克耳孙(Albert Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)为了检测“以太”是否存在,进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验。在实验中,他们运用旋转的干涉仪,比较了两束相互垂直方向的光的速度。结果发现,沿两条垂直光轴传播的光速是相同的。这个实验结果成为后来爱因斯坦狭义相对论中的一个基本原理:光速在空间的各个方向上是相同的。

也就是说,光的运动具有空间上的对称性,即洛伦兹对称,那么有人或许想问:这种空间对称性是否也适用于物质粒子的运动吗?或者说在粒子的能量相同的情况下,它们是否会沿着某个方向运动得更快些或更慢些吗?有一些量子引力理论预测,粒子会违反洛伦兹对称性,尤其是高能粒子。



○ 科学家对两个原子钟进行了长达六个月的监测,以检验爱因斯坦狭义相对论中的一个基本原则。图中的每个原子钟都含有一个镱离子。| 图片来源:PTB

最先进的”原子钟“可以精确地检验时空的基本对称性。为了更准确地研究这一问题,德国联邦物理技术研究院(PTB)的物理学家用两个离子(Yb+)原子钟进行了长期实验。原子钟的频率由存储在阱中的单个镱离子的共振频率控制,这两个镱离子会以特定的频率对光进行吸收和释放。在基态时,镱离子的电子会呈球形对称分布,但当处于激发态时,这些电子的波函数会明显伸长,因此主要会沿着一个空间方向运动。波函数的方向由施加在原子钟内部的磁场决定。



○ 一个可调谐的激光器在原子钟的镱离子中激发出极窄的频带共振。离子的激发态电子波函数用黄色表示,它们的方向保持垂直。用可调频移的激光考察两个电子波函数,就可以测量可能出现的频率差异。整个实验装置每天与地球一起旋转一次。| 图片来源:PTB

这两个原子钟被牢牢地固定在实验室里,每天与地球一起相对于固定的恒星自转一次,或者更准确地说是每23.9345小时自转一次。如果镱离子中的电子速度与空间方向有关,那么两个原子钟就会出现频率差异,而且这种差异会随着地球的自转呈周期性地出现。

由于原子钟之间的频率差异非常微小,为了避免任何可能由技术造成的影响,研究人员将这两个镱离子原子钟的频率比较了超过1000个小时。在实验过程中,无论是几分钟还是长达80个小时的周期范围,他们都没有观察到两个原子钟之间有任何差异。

将总的测量时间进行平均后,得出两个原子钟之间的频率偏差小于3×10⁻¹⁸。这与之前根据理论计算出的原子钟的组合不确定度4×10⁻¹⁸大致一样,因此可以认为两个原子钟之间没有出现频率偏差。也就是说,微观粒子仍然遵循时空对称性。这一结果将2015年加州大学伯克利分校的研究人员用钙离子(Ca+)所确定的极限提高了100倍。

此外,这次实验证实了镱离子光学原子钟的精度水平极高,只有在大约经过100亿年之后,才有可能出现一秒钟的偏差。

尽管洛伦兹对称性已被反复证实,但亦有一些科学家预测,它可能经不起越来越精确的测试。一些量子引力理论认为,我们或许即将找到洛伦兹对称的极限。但到目前为止,还没有迹象表明它真的会消亡。