阿尔伯特·爱因斯坦的双生子悖论是物理学中最著名的思想实验之一。它假设，如果将一对双胞胎中的一个以接近光速的速度送往一颗恒星进行往返旅行，那么当他们返回家园时，他们会比他们的同卵兄弟姐妹年轻。这种年龄差异是时间膨胀的结果，爱因斯坦的狭义相对论对其进行了描述：你移动的速度越快，时间流逝的速度就越慢。
但是，如果我们将量子理论引入这个问题呢？圣安塞尔姆学院和达特茅斯学院的物理学家亚历山大·史密斯以及圣克拉拉大学的迈赫迪·艾哈迈迪在今天发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中探讨了这个想法。科学家们想象测量一个处于叠加状态的量子原子钟所经历的两种不同时间——叠加是量子力学的一个怪癖，在这种状态下，某物似乎同时存在于两个地方。“我们从爱因斯坦的狭义相对论中知道，当一个时钟相对于另一个时钟移动时，它显示的时间会变慢，”史密斯说。“但是量子力学允许你开始思考，如果这个时钟以两种不同的速度的叠加态移动会发生什么。”
叠加是量子物理学的一个奇怪方面，即一个物体最初可以同时位于多个位置，但当它被观察时，只有一个状态变为真实。粒子可以在某些实验中处于叠加状态，例如使用分束器来分割光子，以展示这种现象的运作方式。叠加状态中的两个粒子似乎共享信息，直到它们被观察到，这使得该现象可用于加密和量子通信等应用。
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与此同时，一些原子可以充当原子钟，其衰变速率标志着时间的流逝。在他们的论文中，史密斯和艾哈迈迪描述了，如果一个叠加状态以每秒几米的速度移动，而另一个状态保持静止，那么处于叠加状态的原子钟如何像爱因斯坦的双胞胎实验一样经历时间膨胀。这些状态实际上会以不同的方式衰老，而不是像薛定谔的猫实验中描述的那样，原子仅仅处于两种状态。“这有点像‘薛定谔的时钟’，”史密斯说。
牛津大学的物理学家弗拉特科·韦德拉尔（他没有参与这项研究）说，这个想法为将量子力学与相对论相结合提供了一个难得的机会——这两个物理学领域之间臭名昭著地难以融合。“你实际上可以将量子力学中的叠加原理与相对论中的时间膨胀概念相结合，”他说。“这正是爱因斯坦的双胞胎，但现在应用于同一个系统。这就是转折点。最终状态非常惊人，因为原子回到了你开始时的相同位置，但在内部，它感觉到了两个不同的时间。它处于同时变老和变年轻的叠加状态。”
尽管这种效应太小，人类无法察觉，但量子时间膨胀的这种想法可能会对高精度量子时钟产生影响。而且至关重要的是，这项新研究表明，有可能通过实验来测量这种效应。“我希望这篇论文真正促使人们尝试在实验室中进行这项研究，”韦德拉尔说。史密斯建议，可以在不久的将来起草一份实验方案，或许可以使用光谱学来分割光线，以寻找量子时间膨胀的这种特征。“我们可能在未来五到十年内看到这一点，”他说。“我根本不认为这是科幻小说。”