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如果您曾经发现自己咒骂楼上吵闹的邻居，可以感到些许安慰，因为他或她衰老得比您快。
阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言，处于不同引力势的时钟滴答速率会有所不同——海拔较高的时钟会比更靠近地球中心的时钟走得更快。换句话说，时间在您楼上邻居的公寓里流逝得比在您的公寓里更快。
更复杂的是，早于广义相对论十年的狭义相对论预言，运动的时钟也会产生类似的效果——静止的时钟会比移动的时钟走得更快。这就是著名的双生子悖论的根源：一名旅行者乘坐宇宙飞船以极高的速度进行往返旅行后，返回地球会发现她的双胞胎兄弟姐妹现在比她年长，因为在移动的飞船上时间流逝得比在地球上慢。
这两种所谓的“时间膨胀”效应已经在过去几十年中的许多实验中得到验证，这些实验传统上依赖于大的距离或速度尺度。在1971 年的一项里程碑式的实验中，圣路易斯华盛顿大学的约瑟夫·哈菲勒和美国海军天文台的理查德·基廷乘坐商业喷气式飞机携带铯原子钟环球飞行，然后将这些时钟与地面上的参考时钟进行比较，发现它们之间存在偏差，正如相对论所预言的那样。但即使在喷气式飞机的速度和高度下，相对论时间膨胀效应也非常微小——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。
得益于时间keeping技术的进步，现在可以在实验室中以更普通的尺度进行类似的演示。在9 月 24 日出版的《科学》杂志上描述的一系列实验中，科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所 (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，或者当其中一个时钟以小于 10 米/秒的速度运动时。
再次强调，这些效应非常微小：升高的时钟需要数亿年才能比其对应时钟多走一秒，而以几米每秒速度移动的时钟也需要运行大约相同的时间才会比静止的对应时钟慢一秒。但是，基于铝离子开发的光学时钟可以在大约 37 亿年内保持一秒的精度，这使得研究人员能够揭示这些微小的相对论效应。“人们通常认为这可以忽略不计，但对我们来说并非如此，”NIST 的博士后研究员、主要研究作者周钦文说。“我们绝对可以观察到它。”
NIST 小组的光学时钟使用激光来探测保存在射频陷阱中的铝离子的量子态。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，而铝离子中量子态的频率随时间保持恒定。通过不断调整激光以驱动铝跃迁，这种相互作用仅发生在 1.121 拍赫兹（每秒 1.121 千万亿次循环）附近的微小窗口中，激光的频率可以稳定到极其灵敏的程度，使其可以充当光学时钟的“摆锤”。“如果我们将振荡器的频率——在我们的例子中是激光——锚定到铝中不变的、稳定的光学跃迁，那么激光振荡就可以充当时钟的滴答声，”周解释说。
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——更不用说将您与吵闹的邻居隔开的整个楼层了——或者仅仅是几米每秒的运动速度。“如果您推女儿荡秋千，速度就差不多是这样，”他说。
加州大学伯克利分校的原子物理学家霍尔格·穆勒说，过去，此类相对论实验要么涉及巨大的距离或速度尺度，要么涉及振荡速度太快，以至于其滴答声无法可靠地计数以进行计时。“能够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。
穆勒使用原子干涉技术对相对论效应进行精密测量，这些测量不依赖于计数单个振荡，而是依赖于跟踪两个波之间的干涉。（这些波的频率比铝钟中的拍赫兹激光快数百亿倍，因此太高而无法监测和计数。）这类似于敲击两个音叉以聆听它们干涉产生的脉动，而无需实际测量每个音叉振动多少次。从这个意义上讲，原子干涉仪就像是没有钟表的摆锤，因此，尽管它们可以非常精确地进行物理测量，但它们不能用于计时。
“这项新工作在熟悉的距离和速度尺度上运行，使用的时钟可以用于通用计时应用，”穆勒说。“他们观察到了广义相对论和狭义相对论的影响，这使得相对论成为一种您可以亲眼看到和触摸到的现象。”