來源：原理

　　143年前，1879年3月14日，德意志南部小城烏爾姆的一個猶太家庭迎來了一個新生命，取名阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）。

　　盡管愛因斯坦本人非常不喜歡慶祝生日，但一百多年后，這一天已經成了全世界愛好物理的人共同慶祝的“節日”。

　　如今，這個名字已然成了當代物理學的代名詞。時至今日，他的理論仍然散發著不同尋常的光芒。新的實驗和研究仍在不斷驗證他的正確性。

　　阿秒之內的光電效應  

　　當光照射到一種材料時，電子可以從材料中被釋放出來，這就是著名的光電效應。愛因斯坦最早在“1905奇跡年”發表了有關光電效應的理論。它成了馬克斯·普朗克（Max Planck）光量子假說的決定性證據，并為現代量子理論鋪平了道路。愛因斯坦也因此成為1921年諾貝爾物理學獎得主。

　　光量子，也就是光子，會引起金屬板中的電子（小圖中的紅球）發射。| 圖片來源：Ponor / Wikimedia Commons

　　雖然這種效應在量子理論的發展中起到了重要作用，但有關它仍有許多謎團沒有解開。比如，人們還不清楚，光子被吸收后，電子釋放出的速度有多快。直到近日，一組研究團隊利用反應顯微技術找到了這個問題的答案。電子放射的發生“在電光火石間”，也就是數阿秒之內。

　　光子吸收和電子發射之間的間隔非常難測量，因為這段時長格外短，甚至無法進行直接測量。

　　在這項新研究中，團隊采用了間接方法。研究人員向反應顯微鏡中心的一氧化碳（CO）樣本發射了極強的X射線。一氧化碳分子由一個氧原子和一個碳原子組成。這束X射線具有恰到好處的能量，可以將其中一個電子從碳原子的最內層電子殼中移出。這個分子隨之破裂。然后，他們對氧原子和碳原子以及釋放的電子進行了測量。

　　由于一氧化碳分子的影響，電子發射并非完全對稱的。一氧化碳的靜電場會影響電子發射的延遲時間，而延遲程度則取決于電子被拋出的方向。同時，團隊利用探測器上的干涉圖樣的特征確定了這種延遲的時間。測量結果表明，發射電子確實只需要幾十阿秒。同時，這一時間間隔也取決于電子飛出的方向和電子的速度。

　　依舊成立的洛倫茲對稱性  

　　雖然愛因斯坦因為光電效應獲得了諾貝爾獎，但他對物理學的貢獻遠不止于此。愛因斯坦的相對論是20世紀和21世紀物理學不可或缺的基石理論。

　　相對論認為，光速是速度的極限，宇宙中物質運動的速度永遠不會超過光速。這則“金科玉律”可以通過洛倫茲對稱性破缺（或洛倫茲不變性破壞）進行檢驗。

　　簡單來說，相對論要求物理定律遵守洛倫茲對稱性，這已經被無數次地驗證。但一些量子引力理論則認為，在極高的能量下，相對論存在需要被修正的可能性，在這種情況下，洛倫茲對稱性可能發生破缺，此處也正是尋找“新物理”的窗口。

　　礙于目前實驗技術的限制，在實驗室中創造出這種相應的高能條件還很困難，但是宇宙中天然存在著能量極高的過程，洛倫茲對稱性破缺在這些高能粒子中也更容易探測到。洛倫茲對稱性破缺會造成高能光子的不穩定和快速衰變，這可以理解成，高能光子在它的旅途中會“自動消失”，在觀測中就會出現能譜上特定能量的截斷現象。

　　LHAASO位于四川稻城，是我國自主設計建造運行的宇宙線觀測實驗。| 圖片來源：IHEP/LHAASO Collaboration

　　今年2月，我國高海拔宇宙線實驗LHAASO利用高能伽馬射線觀測結果，檢驗了洛倫茲對稱性，這是迄今為止對此類洛倫茲對稱性進行的最嚴格的檢驗。結果再一次證實了愛因斯坦理論的正確性。研究并沒有發現任何“消失”跡象，也就是說，洛倫茲對稱性在這種高能狀態下仍然成立。

　　最小尺度上的時間膨脹  

　　愛因斯坦的廣義相對論預言，一個大質量物體的引力場會扭曲時空，當你越靠近這個物體時，時間也會流逝得更慢。這個現場被稱為引力時間膨脹，它是可以測量的，特別是在像地球這樣大物體的附近。近日，科學家利用原子鐘已經在目前達到的最小尺度，也就是毫米尺度上，測量了時間膨脹。

如果你在以上地方生活了30年，你會年長或者年輕多少？

　　原子鐘是迄今發明的最精確的計時裝置，它通過探測原子中的兩個電子態之間的躍遷能來計時。最好的原子鐘格外穩定，即使運行了宇宙年齡的時長后，誤差仍不到一秒。這種精確度也讓科學家有機會進行許多驚人的實驗。

　　根據廣義相對論，處于引力場中不同高度的原子鐘會以不同的速度運轉。當在更強的引力（距離地球更近）下觀測時，原子輻射的頻率會降低，也就是向電磁波譜的紅端移動。換句話說，在低海拔地區，原子鐘運轉得更慢。這種現象已經被實驗反復證實。

　　在新研究中，由物理學家希蒙·科科維茨（Shimon Kolkowitz）領導的團隊在原子鐘的穩定性上邁出了一大步。同時，另一個由華人科學家葉軍領導的團隊則測量了一個由約10萬個超冷鍶原子組成的單一樣本的頂部和底部之間的頻率偏移，從而展示了兩個相隔僅一毫米（也就是差不多一根鉛筆尖寬度）的微型原子鐘會以不同速率運轉。

　　葉軍和團隊的新實驗采用了一系列創新，使得原子的能量狀態得到了很好的控制。實驗測得的整個原子云的紅移非常小，大約在0.0000000000000000001的范圍內。團隊繪制了時間膨脹的線性斜率隨垂直距離的變化，結果正如廣義相對論所預測的。

　　盡管這種差異對人類而言太小了，以至于我們完全無法直接感知，但時間膨脹效應對宇宙以及GPS等技術具有重大影響。更穩定、性能更好的原子鐘在計時和導航之外還存在著更多的潛在應用，包括在基礎科學領域幫助探索量子力學與引力的聯系，或者尋找暗物質的存在。

　　#創作團隊：

　　撰文：Gaviota

　　排版：雯雯

　　#參考來源：

　　https：//aktuelles.uni-frankfurt.de/englisch/einsteins-photoelectric-effect-the-time-it-takes-for-an-electron-to-be-released/

　　https：//www.cas.cn/syky/202202/t20220210_4824923.shtml

　　https：//phys.org/news/2022-02-einstein-relativity-theory-strict-based.html

　　https：//physicsworld.com/a/gravitational-time-dilation-measured-on-centimetre-and-millimetre-scales-in-atomic-clocks/

　　https：//www.nist.gov/news-events/news/2022/02/jila-atomic-clocks-measure-einsteins-general-relativity-millimeter-scale

　　https：//news.wisc.edu/ultraprecise-atomic-clock-poised-for-new-physics-discoveries/

　　#t圖片來源：

　　封面圖素材來源：EHT / HOTAKA SHIOKAWA