探索頻道年度大片《和霍金一起探索宇宙》正在北京電視臺青少頻道播出。在片中，史蒂芬?霍金如此描述時(shí)空扭曲理論：離金字塔近的人，時(shí)間如靜止，離金字塔遠(yuǎn)的人，時(shí)間如飛逝。因?yàn)楦鶕?jù)“相對論”，距離引力大的物體越近，時(shí)間過得也越慢，反之則越快。霍金自己也曾做過如此比喻：站在樓上的人，要比樓下的人老得更快一點(diǎn)。

　　這些通俗易懂的畫面看著有趣，卻把時(shí)間差夸大了無數(shù)倍。而現(xiàn)實(shí)生活中，你的肚臍所經(jīng)歷的時(shí)間，和你的鼻子所經(jīng)歷的時(shí)間真的有所不同嗎？今年2月份，科學(xué)家們制造出了有史以來“最精確的鐘”，并測量出了高度相差1米的兩個(gè)位置間的時(shí)間差。相關(guān)研究刊登在近期的《科學(xué)》雜志上。

　　速度和引力影響時(shí)間

　　愛因斯坦認(rèn)為，時(shí)空相互交織，時(shí)間在不同的場合會發(fā)生不同的變化，時(shí)間可能會受到一些因素的影響，比如引力和速度。簡單來說，鐘表運(yùn)動時(shí)，比不運(yùn)動時(shí)運(yùn)行更慢。此外，引力越強(qiáng)，鐘表也跑得越慢。

　　在“狹義相對論”中，光速是絕對一致的，永遠(yuǎn)不會發(fā)生改變，會改變的是時(shí)間和重力。在宇宙中，一個(gè)物體運(yùn)動得越快，時(shí)間就流失得越慢。這個(gè)理論延伸出了很多著名的思想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，比如說著名的“雙胞胎悖論”??有一對雙胞胎，其中弟弟留在地球上，哥哥則乘坐光速宇宙飛船前往遙遠(yuǎn)的太空，當(dāng)他回來的時(shí)候，會發(fā)現(xiàn)自己的弟弟已經(jīng)垂垂老矣。

　　而根據(jù)廣義相對論，愛因斯坦同樣預(yù)測引力和時(shí)間之間存在密切關(guān)系：引力場會拖時(shí)間的“后腿”，讓時(shí)間放緩。引力越大，時(shí)間就會過得越慢。因此，當(dāng)接近一個(gè)質(zhì)量很大的物體如地球時(shí)，時(shí)間也會變慢。

　　在《和霍金一起探索宇宙》中，霍金用了兩個(gè)假想場面解釋愛因斯坦這兩套相對論：一個(gè)是假想的環(huán)繞地球的快速火車。火車越開越快，直到接近光速，此時(shí)，火車?yán)锏娜说臅r(shí)間簡直可以用“度日如年”來形容，在假想中接近光速的狀態(tài)下，鐘表的振蕩將發(fā)生了十分明顯的變化；另一個(gè)假想是一艘宇宙飛船從地球出發(fā)，飛到宇宙黑洞邊緣，飛船駕駛者技術(shù)過硬，剛剛好停留在極端靠近黑洞卻又不會被黑洞吸入的位置上，此時(shí)飛船上的鐘表的振蕩也發(fā)生了明顯的改變。

　　世界上最精準(zhǔn)的鐘

　　不過，無論是能以亞光速行進(jìn)的火車，還是能接近黑洞的飛船，都只是美好的幻想而已。但還是有一些設(shè)備能夠驗(yàn)證愛因斯坦的引力時(shí)間理論。其中最典型的就是將地球表面的時(shí)鐘與人造衛(wèi)星上的精確時(shí)鐘進(jìn)行比較。衛(wèi)星系統(tǒng)不僅遠(yuǎn)離地球，而且還以幾千千米的時(shí)速運(yùn)行著。我們每天用的全球定位系統(tǒng)依賴于這些人造衛(wèi)星，上面時(shí)鐘的時(shí)間就比地球上的鐘略微快一點(diǎn)。

　　此外，科學(xué)家也早就通過地面上和高速飛行噴氣飛機(jī)中的原子鐘發(fā)生的變化證實(shí)了運(yùn)動和時(shí)間的關(guān)系。

　　但是，衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)鐘差別并非科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并沒有真正通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明相對論；而運(yùn)動中原子鐘的變化則必須放到高速飛行的飛機(jī)上才能觀測到。不過，現(xiàn)在科學(xué)家在一個(gè)超級精確的原子鐘的幫助下，觀測到了低速(秒速10米)，以及高度差1米的情況下，時(shí)間所發(fā)生的變化。這項(xiàng)研究由美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)進(jìn)行，相關(guān)論文刊登在近期的美國《科學(xué)》雜志上。此次研究也是第一次在地面上就證實(shí)了引力和時(shí)間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全在科學(xué)家們的意料之內(nèi)，愛因斯坦的理論早已被廣泛地認(rèn)可，但實(shí)驗(yàn)最特別的就在于這個(gè)原子鐘的精確性。

　　原子鐘是世界上最精確的時(shí)鐘。常用的原子鐘使用銫原子。后來，美國科學(xué)家開始用汞離子來制作更精確的原子鐘。今年2月份，科學(xué)家們造出一臺使用鋁離子的原子鐘。它比汞離子制作的還要精確兩倍以上，成為有史以來“最精確”的鐘。這個(gè)原子鐘的制造者在《物理評論》上發(fā)表論文稱，即使再過去37億年，它的誤差都不會超過1秒。

　　測地學(xué)將受益

　　借助超級精準(zhǔn)的原子鐘，NIST的科學(xué)家們得以測量愛因斯坦理論中的兩個(gè)著名的假想場面。

　　首先，他們設(shè)計(jì)了兩架一模一樣的超精確原子鐘，放在同樣的高度上。把其中一架鐘抬高僅33厘米，兩架鐘就顯示出了不同的時(shí)間差，顯示它們所受重力出現(xiàn)了差異。位置較低的原子鐘比位置高的原子鐘運(yùn)行得更慢，大約每隔79年會慢900億分之一秒。當(dāng)然，對普通人來說這種影響幾乎微乎其微。

　　科學(xué)家們隨后又做了另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們通過對鋁離子施加不斷變化的電磁場，使其發(fā)生快速往復(fù)運(yùn)動，相當(dāng)于每秒運(yùn)動了好幾米，而另一個(gè)原子鐘的鋁離子則保持靜止。結(jié)果，運(yùn)動著的原子鐘，其時(shí)間運(yùn)行也略微緩慢了一些。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了“雙胞胎悖論”，運(yùn)動越快，時(shí)間就越慢。

　　這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能會有實(shí)際的作用。科學(xué)家探測地球磁場的地理振動時(shí)，對測量精度的要求很高，并借由測量數(shù)據(jù)了解一些重要的信息，比如地球上的水是怎么分布的，河流是如何流動的。在理想狀態(tài)下，科學(xué)家可以在世界各地?cái)[滿精確無比的原子鐘，通過測量時(shí)間的不同來查看重力的不同。

　　此外，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)提供的不同海拔時(shí)間差異的具體數(shù)據(jù)，還可以用于調(diào)整全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星上所攜帶的時(shí)鐘，令其更為精準(zhǔn)。