143年前，1879年3月14日，德意志南部小城烏爾姆的一個(gè)猶太家庭迎來了一個(gè)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(jīng)成了全世界愛好物理的人共同慶祝的“節(jié)日”。

如今，這個(gè)名字已然成了當(dāng)代物理學(xué)的代名詞。時(shí)至今日，他的理論仍然散發(fā)著不同尋常的光芒。新的實(shí)驗(yàn)和研究仍在不斷驗(yàn)證他的正確性。

  阿秒之內(nèi)的光電效應(yīng)  

當(dāng)光照射到一種材料時(shí)，電子可以從材料中被釋放出來，這就是著名的光電效應(yīng)。愛因斯坦最早在“1905奇跡年”發(fā)表了有關(guān)光電效應(yīng)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(jù)，并為現(xiàn)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(xué)獎(jiǎng)得主。

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

雖然這種效應(yīng)在量子理論的發(fā)展中起到了重要作用，但有關(guān)它仍有許多謎團(tuán)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(tuán)隊(duì)利用反應(yīng)顯微技術(shù)找到了這個(gè)問題的答案。電子放射的發(fā)生“在電光火石間”，也就是數(shù)阿秒之內(nèi)。

光子吸收和電子發(fā)射之間的間隔非常難測(cè)量，因?yàn)檫@段時(shí)長(zhǎng)格外短，甚至無法進(jìn)行直接測(cè)量。

在這項(xiàng)新研究中，團(tuán)隊(duì)采用了間接方法。研究人員向反應(yīng)顯微鏡中心的一氧化碳（CO）樣本發(fā)射了極強(qiáng)的X射線。一氧化碳分子由一個(gè)氧原子和一個(gè)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(gè)電子從碳原子的最內(nèi)層電子殼中移出。這個(gè)分子隨之破裂。然后，他們對(duì)氧原子和碳原子以及釋放的電子進(jìn)行了測(cè)量。

由于一氧化碳分子的影響，電子發(fā)射并非完全對(duì)稱的。一氧化碳的靜電場(chǎng)會(huì)影響電子發(fā)射的延遲時(shí)間，而延遲程度則取決于電子被拋出的方向。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)利用探測(cè)器上的干涉圖樣的特征確定了這種延遲的時(shí)間。測(cè)量結(jié)果表明，發(fā)射電子確實(shí)只需要幾十阿秒。同時(shí)，這一時(shí)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(duì)稱性  

雖然愛因斯坦因?yàn)楣怆娦?yīng)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，但他對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不止于此。愛因斯坦的相對(duì)論是20世紀(jì)和21世紀(jì)物理學(xué)不可或缺的基石理論。

相對(duì)論認(rèn)為，光速是速度的極限，宇宙中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度永遠(yuǎn)不會(huì)超過光速。這則“金科玉律”可以通過洛倫茲對(duì)稱性破缺（或洛倫茲不變性破壞）進(jìn)行檢驗(yàn)。

簡(jiǎn)單來說，相對(duì)論要求物理定律遵守洛倫茲對(duì)稱性，這已經(jīng)被無數(shù)次地驗(yàn)證。但一些量子引力理論則認(rèn)為，在極高的能量下，相對(duì)論存在需要被修正的可能性，在這種情況下，洛倫茲對(duì)稱性可能發(fā)生破缺，此處也正是尋找“新物理”的窗口。

礙于目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出這種相應(yīng)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(duì)稱性破缺在這些高能粒子中也更容易探測(cè)到。洛倫茲對(duì)稱性破缺會(huì)造成高能光子的不穩(wěn)定和快速衰變，這可以理解成，高能光子在它的旅途中會(huì)“自動(dòng)消失”，在觀測(cè)中就會(huì)出現(xiàn)能譜上特定能量的截?cái)喱F(xiàn)象。

LHAASO位于四川稻城，是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造運(yùn)行的宇宙線觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。| 圖片來源：IHEP/LHAASO Collaboration

今年2月，我國(guó)高海拔宇宙線實(shí)驗(yàn)LHAASO利用高能伽馬射線觀測(cè)結(jié)果，檢驗(yàn)了洛倫茲對(duì)稱性，這是迄今為止對(duì)此類洛倫茲對(duì)稱性進(jìn)行的最嚴(yán)格的檢驗(yàn)。結(jié)果再一次證實(shí)了愛因斯坦理論的正確性。研究并沒有發(fā)現(xiàn)任何“消失”跡象，也就是說，洛倫茲對(duì)稱性在這種高能狀態(tài)下仍然成立。

  最小尺度上的時(shí)間膨脹  

愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言，一個(gè)大質(zhì)量物體的引力場(chǎng)會(huì)扭曲時(shí)空，當(dāng)你越靠近這個(gè)物體時(shí)，時(shí)間也會(huì)流逝得更慢。這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)被稱為引力時(shí)間膨脹，它是可以測(cè)量的，特別是在像地球這樣大物體的附近。近日，科學(xué)家利用原子鐘已經(jīng)在目前達(dá)到的最小尺度，也就是毫米尺度上，測(cè)量了時(shí)間膨脹。

如果你在以上地方生活了30年，你會(huì)年長(zhǎng)或者年輕多少？

原子鐘是迄今發(fā)明的最精確的計(jì)時(shí)裝置，它通過探測(cè)原子中的兩個(gè)電子態(tài)之間的躍遷能來計(jì)時(shí)。最好的原子鐘格外穩(wěn)定，即使運(yùn)行了宇宙年齡的時(shí)長(zhǎng)后，誤差仍不到一秒。這種精確度也讓科學(xué)家有機(jī)會(huì)進(jìn)行許多驚人的實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)廣義相對(duì)論，處于引力場(chǎng)中不同高度的原子鐘會(huì)以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)在更強(qiáng)的引力（距離地球更近）下觀測(cè)時(shí)，原子輻射的頻率會(huì)降低，也就是向電磁波譜的紅端移動(dòng)。換句話說，在低海拔地區(qū)，原子鐘運(yùn)轉(zhuǎn)得更慢。這種現(xiàn)象已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)反復(fù)證實(shí)。

在新研究中，由物理學(xué)家希蒙·科科維茨（Shimon Kolkowitz）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在原子鐘的穩(wěn)定性上邁出了一大步。同時(shí)，另一個(gè)由華人科學(xué)家葉軍領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)則測(cè)量了一個(gè)由約10萬個(gè)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(gè)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(huì)以不同速率運(yùn)轉(zhuǎn)。

葉軍和團(tuán)隊(duì)的新實(shí)驗(yàn)采用了一系列創(chuàng)新，使得原子的能量狀態(tài)得到了很好的控制。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的整個(gè)原子云的紅移非常小，大約在0.0000000000000000001的范圍內(nèi)。團(tuán)隊(duì)繪制了時(shí)間膨脹的線性斜率隨垂直距離的變化，結(jié)果正如廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的。

盡管這種差異對(duì)人類而言太小了，以至于我們完全無法直接感知，但時(shí)間膨脹效應(yīng)對(duì)宇宙以及GPS等技術(shù)具有重大影響。更穩(wěn)定、性能更好的原子鐘在計(jì)時(shí)和導(dǎo)航之外還存在著更多的潛在應(yīng)用，包括在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域幫助探索量子力學(xué)與引力的聯(lián)系，或者尋找暗物質(zhì)的存在。