在爱因斯坦的宇宙中，飞机和楼梯都是时间机器

如果您曾经发现自己诅咒楼上的吵闹邻居，请从他或她比您衰老得更快这一事实中获得安慰。

爱因斯坦的广义相对论预测，不同引力势的时钟滴答速率不同——海拔较高的时钟比更靠近地球中心的时钟滴答得更快。换句话说，在您邻居的楼上公寓里，时间过得比在您的公寓里更快。

更复杂的是，爱因斯坦的狭义相对论（比广义相对论早十年）预测了运动时钟的类似效应——静止时钟比运动时钟滴答得更快。这就是著名的双生子悖论的来源：在宇宙飞船上以极高的速度进行往返旅行后，旅行者返回地球会发现她的双胞胎兄弟姐妹比她年长，因为在运动的飞船上时间过得比在地球上更慢。

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这两种所谓的时钟膨胀效应已经在过去几十年的许多实验中得到验证，这些实验传统上依赖于大尺度的距离或速度。在 1971 年的一项里程碑式测试中，圣路易斯华盛顿大学的约瑟夫·C·哈菲勒和美国海军天文台的理查德·E·基廷乘坐商用喷气式飞机环球飞行，然后将这些铯原子钟与地面参考时钟进行比较，发现它们像相对论预测的那样发生了分歧。然而，即使在喷气式飞机的速度和高度下，相对论时间膨胀的影响也是微小的——在哈菲勒-基廷实验中，原子钟在旅程结束后仅相差几十到几百纳秒。

得益于改进的计时技术，类似的演示现在可以在实验室中更普通的尺度上进行。在 2010 年 9 月 24 日《科学》杂志上描述的一系列实验中，国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员记录了两个高精度光学原子钟之间的时间流逝差异，当其中一个时钟升高仅三分之一米或当一个时钟以小于每秒 10 米的速度运动时。

同样，这些影响非常微小：升高的时钟需要数亿年才能比其对应的时钟多记录一秒，而以每秒几米的速度移动的时钟需要运行大约相同的时间才能比其静止的对应时钟落后一秒。但是，基于铝离子的光学时钟的开发，可以在大约 37 亿年内将时间保持在一秒内，这使得研究人员能够揭示那些微小的相对论效应。“人们通常认为这是可以忽略不计的，但对我们来说并非如此，”NIST 的主要研究作者詹姆斯·陈文·周说。“我们绝对可以看到它。”

NIST 小组的光学时钟使用激光探测射频阱中捕获的铝离子的量子态。当激光的频率恰到好处时，它会与铝离子中量子态之间的跃迁发生共振，该跃迁的频率随时间恒定。通过不断调整激光以驱动铝跃迁，这种相互作用仅发生在接近 1.121 皮赫兹（每秒 1.121 千万亿次循环）的微小窗口中，激光的频率可以稳定到极其灵敏的程度，使其可以充当钟摆。“如果我们将振荡器的频率（在我们的例子中是激光）锚定在铝中不变的、稳定的光学跃迁上，那么激光振荡就可以充当时钟的滴答声，”周解释道。

为了说明光学时钟的灵敏度，周指出，研究中的两个计时器在楼梯上仅仅一步的高度变化后就产生了差异——更不用说您与吵闹的邻居之间隔着的整个楼层——或者仅仅是每秒几米的速度运动。“如果你推女儿荡秋千，速度差不多就是这样，”他说。

加州大学伯克利分校的原子物理学家霍尔格·穆勒指出，过去，此类相对论实验要么涉及大规模的距离或速度，要么涉及振荡速度太快以至于无法可靠地计数其滴答声以进行计时。“你能制造出如此出色的光学时钟，以至于现在可以在实验室中看到相对论，这是一项巨大的成就，”他说。

穆勒使用原子干涉仪对相对论效应进行精确测量——这些测量不是依赖于计数单个振荡，而是依赖于跟踪代表单个原子的量子波之间的干涉。（此类波的频率比铝时钟中的皮赫兹激光快数百亿倍，简直太高而无法监测和计数。）这个过程类似于敲击两个音叉，聆听它们干涉的脉动，而无需实际测量每个音叉振动了多少次。从这个意义上说，原子干涉仪是没有钟表的钟摆，因此，尽管它们可以进行非常精确的物理测量，但不能用于计时。

“这项新工作在熟悉的距离和速度尺度上运行，时钟可以用于通用计时应用，”穆勒说。“他们看到了广义相对论和狭义相对论的影响，这使得相对论成为你可以看到和触摸的东西。”