100多年后，仍是最成功的理论

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Gaviota，头图来自：视觉中国

143年前，1879年3月14日，德意志南部小城乌尔姆的一个犹太家庭迎来了一个新生命，取名阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）。

尽管爱因斯坦本人非常不喜欢庆祝生日，但一百多年后，这一天已经成了全世界爱好物理的人共同庆祝的“节日”。

如今，这个名字已然成了当代物理学的代名词。时至今日，他的理论仍然散发着不同寻常的光芒。新的实验和研究仍在不断验证他的正确性。

一、阿秒之内的光电效应  

当光照射到一种材料时，电子可以从材料中被释放出来，这就是著名的光电效应。爱因斯坦最早在“1905奇迹年”发表了有关光电效应的理论。它成了马克斯·普朗克（Max Planck）光量子假说的决定性证据，并为现代量子理论铺平了道路。爱因斯坦也因此成为1921年诺贝尔物理学奖得主。

光量子，也就是光子，会引起金属板中的电子（小图中的红球）发射。| 图片来源：Ponor / Wikimedia Commons

虽然这种效应在量子理论的发展中起到了重要作用，但有关它仍有许多谜团没有解开。比如，人们还不清楚，光子被吸收后，电子释放出的速度有多快。直到近日，一组研究团队利用反应显微技术找到了这个问题的答案。电子放射的发生“在电光火石间”，也就是数阿秒之内。

光子吸收和电子发射之间的间隔非常难测量，因为这段时长格外短，甚至无法进行直接测量。

在这项新研究中，团队采用了间接方法。研究人员向反应显微镜中心的一氧化碳（CO）样本发射了极强的X射线。一氧化碳分子由一个氧原子和一个碳原子组成。这束X射线具有恰到好处的能量，可以将其中一个电子从碳原子的最内层电子壳中移出。这个分子随之破裂。然后，他们对氧原子和碳原子以及释放的电子进行了测量。

由于一氧化碳分子的影响，电子发射并非完全对称的。一氧化碳的静电场会影响电子发射的延迟时间，而延迟程度则取决于电子被抛出的方向。同时，团队利用探测器上的干涉图样的特征确定了这种延迟的时间。测量结果表明，发射电子确实只需要几十阿秒。同时，这一时间间隔也取决于电子飞出的方向和电子的速度。

二、依旧成立的洛伦兹对称性  

虽然爱因斯坦因为光电效应获得了诺贝尔奖，但他对物理学的贡献远不止于此。爱因斯坦的相对论是20世纪和21世纪物理学不可或缺的基石理论。

相对论认为，光速是速度的极限，宇宙中物质运动的速度永远不会超过光速。这则“金科玉律”可以通过洛伦兹对称性破缺（或洛伦兹不变性破坏）进行检验。

简单来说，相对论要求物理定律遵守洛伦兹对称性，这已经被无数次地验证。但一些量子引力理论则认为，在极高的能量下，相对论存在需要被修正的可能性，在这种情况下，洛伦兹对称性可能发生破缺，此处也正是寻找“新物理”的窗口。

碍于目前实验技术的限制，在实验室中创造出这种相应的高能条件还很困难，但是宇宙中天然存在着能量极高的过程，洛伦兹对称性破缺在这些高能粒子中也更容易探测到。洛伦兹对称性破缺会造成高能光子的不稳定和快速衰变，这可以理解成，高能光子在它的旅途中会“自动消失”，在观测中就会出现能谱上特定能量的截断现象。

LHAASO位于四川稻城，是我国自主设计建造运行的宇宙线观测实验。| 图片来源：IHEP/LHAASO Collaboration

今年2月，我国高海拔宇宙线实验LHAASO利用高能伽马射线观测结果，检验了洛伦兹对称性，这是迄今为止对此类洛伦兹对称性进行的最严格的检验。结果再一次证实了爱因斯坦理论的正确性。研究并没有发现任何“消失”迹象，也就是说，洛伦兹对称性在这种高能状态下仍然成立。

三、最小尺度上的时间膨胀  

爱因斯坦的广义相对论预言，一个大质量物体的引力场会扭曲时空，当你越靠近这个物体时，时间也会流逝得更慢。这个现场被称为引力时间膨胀，它是可以测量的，特别是在像地球这样大物体的附近。近日，科学家利用原子钟已经在目前达到的最小尺度，也就是毫米尺度上，测量了时间膨胀。

如果你在以上地方生活了30年，你会年长或者年轻多少？

原子钟是迄今发明的最精确的计时装置，它通过探测原子中的两个电子态之间的跃迁能来计时。最好的原子钟格外稳定，即使运行了宇宙年龄的时长后，误差仍不到一秒。这种精确度也让科学家有机会进行许多惊人的实验。

根据广义相对论，处于引力场中不同高度的原子钟会以不同的速度运转。当在更强的引力（距离地球更近）下观测时，原子辐射的频率会降低，也就是向电磁波谱的红端移动。换句话说，在低海拔地区，原子钟运转得更慢。这种现象已经被实验反复证实。

在新研究中，由物理学家希蒙·科科维茨（Shimon Kolkowitz）领导的团队在原子钟的稳定性上迈出了一大步。同时，另一个由华人科学家叶军领导的团队则测量了一个由约10万个超冷锶原子组成的单一样本的顶部和底部之间的频率偏移，从而展示了两个相隔仅一毫米（也就是差不多一根铅笔尖宽度）的微型原子钟会以不同速率运转。

叶军和团队的新实验采用了一系列创新，使得原子的能量状态得到了很好的控制。实验测得的整个原子云的红移非常小，大约在0.0000000000000000001的范围内。团队绘制了时间膨胀的线性斜率随垂直距离的变化，结果正如广义相对论所预测的。

尽管这种差异对人类而言太小了，以至于我们完全无法直接感知，但时间膨胀效应对宇宙以及GPS等技术具有重大影响。更稳定、性能更好的原子钟在计时和导航之外还存在着更多的潜在应用，包括在基础科学领域帮助探索量子力学与引力的联系，或者寻找暗物质的存在。

参考来源：

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/

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Gaviota