双生子爬梯试验：揭开宇宙大秘密的一步

背景介绍

20世纪初，爱因斯坦提出了广义相对论，引力被视为时空的弯曲，随后被多次验证。但由于引力极弱，效应微小，无法用实验直接观测。直到20世纪60年代，意大利物理学家卡拉梅罗提出了“双生子爬梯试验”，才有望在实验中观测到引力效应。

实验原理

在相对论中，时间与空间是不可分割的整体，构成时空。强引力场会使时空弯曲，时间与空间遵循不同的度量。在重力加速度不同的引力场中，观测到的时间流逝速率也不同。卡拉梅罗认为，对于一对同时出发并在不同引力场中运动的双生子，当他们再次相见时，较接近质心的那个将比离质心较远的那个老得更慢一些，即时间流逝速率不同。 假设地球和一个远离地球的卫星都是静止的，那么他们之间的引力场是一样强的，双生子出发时年龄一样。当卫星往地球靠近时，它受到的引力加速度加大，时间变慢。当卫星远离地球时，它受到的引力加速度减小，时间变快。如果卫星返航在发射前，那么离开时的年龄一样，返回时地球上的双生子因为距离地球较近，时间流逝速率变慢，所以卫星下降后双生子之间年龄差变小。

实验结果

2004年，位于美国弗吉尼亚州的汉普顿大学空间科学研究所进行了一次这样的实验。他们用高精度原子钟标定时间，并把一个尽可能小的飞时差转率测量仪搭载到了一个高度高达10,000英里的通信卫星上。虽然实验误差较大，但结果表明，飞秒差转率测量仪的时间比地面上的原子钟快7微秒，这与相对论预言一致。这次实验打破了地面上实验的限制，证实了双生子爬梯试验的可行性。 双生子爬梯试验在宇宙物理学、引力测量等领域都有广泛应用。未来，我们也许可以用它来探测暗物质、黑洞等宇宙大秘密。