爱因斯坦效应太空实测，瑞士高精度仪器助力探索

一组原子钟将在太空实测爱因斯坦效应。 Keystone-SDA

4月21日，欧洲空间局(ESA)将一组原子钟送入太空。它将被接驳在国际空间站(ISS)上，用以测试重力对时间流逝的影响。瑞士也参与了这项“空间原子钟组”(ACES)计划的研发。

搭载空间原子钟组装置的SpaceX“猎鹰9号”火箭，于瑞士时间4月21日上午10时15分从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空。该装置将被送往距离地面400公里的国际空间站，由机械臂安装在“哥伦布”实验舱外部，并将在那里停留30个月，持续采集时间数据。

时间这一物理量“存在于所有物理方程中”，对计算机运作和卫星定位系统至关重要，欧洲空间局的空间原子钟组项目负责人西蒙·温伯格(Simon Weinberg)在发射前指出。

爱因斯坦的革命

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦彻底颠覆了人类对时间的认识。此前，人们普遍认为时间是普遍而绝对的。根据广义相对论，爱因斯坦预言时间在宇宙中并非处处相同，在质量巨大的物体附近会变慢。

在地球上，埃菲尔铁塔顶部的时间比塔底略快，这一“爱因斯坦效应”虽极其微小，但随着距离地球越远，其差异会变得更明显。

例如，在高度达2万公里的轨道上运行的导航卫星，其原子钟每天会比地球上的快40微秒。

此次欧洲任务的目标，是借助空间原子钟组装置中的两台原子钟，把对“重力漂移”的测量精度提升两个数量级，达到百万分之一秒的准确度。

瑞士的仪器

第一台原子钟是太空氢激射器(Space Hydrogen Maser，简称SHM)，由位于纳沙泰尔的Safran Time Technologies公司制造。据联邦教育、研究与创新事务秘书处(SEFRI)介绍，这是一种主动型氢激射器，利用氢原子的振动频率来计时。秘书处负责人玛蒂娜·希拉亚马(Martina Hirayama)出席了发射仪式。

所谓“激射器”(maser)，是一种发射连贯微波束的装置，常用于提供原子钟的参考频率。其工作原理与伽利略卫星上的被动型激射器类似，但稳定性提升了十倍。

空间原子钟组系统将结合太空氢激射器在短期(一小时内)的高稳定性和第二台由法国国家太空研究中心(CNES)设计的PHARAO时钟的长期精确性。两者协作可实现每3亿年误差仅为1秒的超高精度。

所有时钟信息将通过微波链路传回地球，地面上的九个接收站(分布在欧洲、英国、日本和美国)将用各自的时钟进行比对。

空间原子钟组：在太空中测试时间的极限

“空间原子钟组”(Atomic Clock Ensemble in Space，简称ACES)是欧洲空间局主导的一项科学实验，旨在从国际空间站上测试时间与重力之间的关系。通过将超高精度的原子钟安装在空间站的“哥伦布”实验舱外部，它将与地球上的最精确时钟进行比较，检验爱因斯坦广义相对论中关于重力影响时间流逝的预测。

ACES装置包含两台先进的原子钟：PHARAO和SHM。PHARAO是由法国国家航天研究中心(CNES)开发的铯原子钟，利用激光将铯原子冷却至接近绝对零度，从而实现极高的时间和频率测量精度。SHM则由瑞士Safran Time Technologies公司制造，使用氢原子作为频率参考，提供卓越的短期稳定性。两者结合，可实现每3亿年误差仅为1秒的超高精度计时。

ACES通过微波链路(MWL)和欧洲激光定时系统(ELT)将其时间信号传输至地面，连接欧洲、英国、美国、日本等地的原子钟，形成一个全球性的“时钟网络”。这不仅有助于提高全球时间同步的精度，还将推动对地球引力场的测量、基本物理常数的稳定性研究，以及暗物质的探索。

整个实验由位于法国图卢兹的CADMOS中心和德国慕尼黑附近的哥伦布控制中心(Col-CC)负责操作。通过在微重力环境中进行的精密时间测量，ACES将为我们提供关于时间本质和宇宙结构的新见解。

资料来源：欧洲空间局：ACES项目介绍外部链接

新的窗口

“我们将分析各地测得的时间差，检验结果是否符合相对论预言，”法国巴黎天文台ACES/PHARAO项目负责人菲利普·洛朗(Philippe Laurent)解释道。如果不符，“那么物理学世界将开启一扇新窗”。物理学家将不得不对爱因斯坦的方程进行调整，以使其与观测结果保持一致。

这也许能令物理学家对“终极理论”的追寻取得进展-将解释宏观世界运转的广义相对论与支配微观世界的量子力学统一起来。这两大理论虽各自有效，却至今难以融合。