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利用光纤链路联接原子钟通信检验狭义相对论

企业团队 / 2021-07-31 00:25

本文摘要:德国联邦物理技术研究院(PTB)中的光学时钟检验狭义相对论。图片来源:PTB。法国、德国和英国的原子钟早已被用来检验爱因斯坦狭义相对论中的时间扩展理论。最近,这些时钟通过光纤链路相连在一起,各原子钟需要彼此展开通信,从而互相校正时间。 这项工作是由一支国际物理学家团队已完成的,他们指出这项测试的时间分辨率仍有可能进一步提高数个数量级。该研究用于“Robertson–Mansouri–Sexl”(RMS)方法来检验狭义相对论。

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德国联邦物理技术研究院(PTB)中的光学时钟检验狭义相对论。图片来源:PTB。法国、德国和英国的原子钟早已被用来检验爱因斯坦狭义相对论中的时间扩展理论。最近,这些时钟通过光纤链路相连在一起,各原子钟需要彼此展开通信,从而互相校正时间。

这项工作是由一支国际物理学家团队已完成的,他们指出这项测试的时间分辨率仍有可能进一步提高数个数量级。该研究用于“Robertson–Mansouri–Sexl”(RMS)方法来检验狭义相对论。RMS假设不存在一个相同参考系,在其中给定两点之间来往一次所测量的平均值光速在所有方向上是恒定的。

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根据狭义相对论的公式计算出来,光在给定两点之间来往的时间应当完全相同,但是通过RMS的测试,在有所不同的坐标系中,来往的时间不存在及其微小的差异,这与狭义相对论的假设互为对立。有所不同的方向随着地球转动,地球表面上的有所不同方位相对于地心具备有所不同的速度。例如,有所不同经度的点朝着有所不同的方向移动,而有所不同纬度的点以有所不同的速度移动。

因此,在地球上两个有所不同方位上的原子钟之间收到的信号有可能不合乎RMS方法。该研究分别用于了坐落于法国国家实验室-巴黎天文台时间空间参照实验室(LNE-SYRTE)、德国布伦瑞克联邦物理技术研究院(PTB)的标准实验室和英国伦敦的国家物理实验室(NPL)的三座原子钟。时钟由两条有所不同的光纤链路相连在一起——一条相连了NPL和LNE-SYRTE,另一条相连了PTB和LNE-SYRTE。为了较为两台光时钟的频率,每条光纤链路将频率信号从一个时钟发送到另一个时钟,再行回到给第一台时钟。

在RMS方法中,回到信号的频率位移中包括了一个有关原子钟方位的速度差。由于地球角速度,两台原子钟所在位置的速度——以及因此导致的RMS频率位移——每天都会产生波动。

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时间收缩在一次测试中,团队将坐落于LNE-SYRTE和NPL的原子钟较为了60小时,将PTB和LNE-SYRTE的时钟较为了150小时。这次测试中两台原子钟之间不存在1亿分之一秒的差异。具体来说,这一实验结果违反了狭义相对论的预测结果,这说明了在有所不同的坐标系下仔细观察同一事件的时间可以是有所不同的。

近期的研究结果比用于较慢离子时钟测量的时间精度要提升两倍以上。该团队在《物理评论快报》中写到:“随着原子钟计量精度的提高,以及光纤链路的完备,我们预计今后的测试将不会提升测量精度。


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