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在东京晴空塔上再次验证广义相对论

在东京晴空塔上再次验证广义相对论
时间: 2020-04-27 23:24 浏览次数:
日本国立理化研究所(Institute of Physical and Chemical Research,RIKEN) 的科学家利用两个超精密光学晶格原子钟,分别放在东京晴空塔的基座和450 m高的天文台上,对广义相对论所预测的时间

日本国立理化研究所(Institute of Physical and Chemical Research,RIKEN) 的科学家利用两个超精密光学晶格原子钟,分别放在东京晴空塔的基座和450 m高的天文台上,对广义相对论所预测的时间膨胀效应进行了最新的超精确测量。

东京晴空塔(英语:Tokyo Skytree),也译称东京天空树或新东京铁塔,是位于日本东京的电波塔,其高度为634 m,于2011年11月17日获得吉尼斯世界纪录认证为“世界第一高塔”,成为全世界最高的塔式建筑之一。

日本东京晴空塔

广义相对论的时间膨胀概念可描述为,质量极其大的物体,其引力场可导致时空扭曲,时间在较大的引力场中比在较小的引力场中要慢。这意味着时间在晴空塔底部比顶部稍慢一些。由于这种时间变化差异非常小,实际测量具有一定困难。因此,对相对论进行严格的测试需要非常精确的时钟或一定的高度差。

迄今为止,最理想的测量方法有两种,一种是使用大型复杂的时钟。这种光学晶格原子钟是以光学频率梳技术为基础的高准确度时钟。例如RIKEN小组开发的时钟,它可以测量大约1 cm的高度差。另一种是在实验室外,由高度相差数千公里的卫星完成测试。上述空间实验已将广义相对论的验证实验精度限制在0.00003%左右,这是极其高的精确度,可以从本质上证明广义相对论的正确性。

此次晴空塔实验用到的原子钟是一种新开发的可移动光学晶格钟,可以在地面上完成精确的相对论测量。但是,其最终应用目的不限于证明相对论的正确与否。

RIKEN和东京大学的领导者Kathi Hidetoshi Katori表示,超精密时钟的另一个主要应用是通过重力来感知和利用时空的曲率。利用这种时空弯曲,时钟可以区分出高度的微小差异,从而测量活火山或地壳变形等地表膨胀,或作为一种高精度的高度标定的参考。

此次晴空塔实验证明这种可移动设备能在实验室外的任何地方进行如此精确的测量,这是超精密时钟制造技术的一大进步。

设计该光学晶格钟的关键是如何将其小型化,并使其面对环境噪声,例如温度变化,振动和电磁场时具有优良的稳健性。研究人员将每个时钟都封装在一个磁屏蔽盒中,边长约60 cm。各种激光设备和电子控制器都装在两个可机架安装的盒子中,用于捕获和解析限制在晶格中的原子。两个时钟通过光纤连接以测量拍信号,还包括激光测距和重力测量,用于独立评估两个时钟的重力场差异。

未来,该小组计划将该光学原子钟用于地表监测,使用相距数百千米的时钟精密监测地面长期的上升和下降。

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