比奈斯•派特拉（Bijunath Patla）的實驗聽起來真的挺無聊：收集 12 個世界上最精確的時鐘，然後盯著它們嘀嗒作響。整個實驗就像是物理學家以專業視角觀察油漆乾燥的過程。

比奈斯•派特拉（Bijunath Patla）的實驗聽起來真的挺無聊：收集 12 個世界上最精確的時鐘，然後盯著它們嘀嗒作響。整個實驗就像是物理學家以專業視角觀察油漆乾燥的過程。派特拉的團隊位於科羅拉多州博爾德市的美國國家標準與技術研究所（National Institute of Standards and Technology, NIST）。他們於 1999 年 11 月 11 日開始監測時鐘，觀察了大約 4.5 億秒——這花了他們 14 年的時間。

不過，他們的耐心最終得到了回報。在 2018 年 6 月 4 日發表在《自然•物理》（Nature Physics）雜誌上的一篇論文中，派特拉的團隊揭示了這個極其單調的實驗所產生的深遠影響。

派特拉說，他們所觀測的時鐘，實際上闡釋了物理學定律中最基本的原理之一：宇宙中沒有任何一段時間或一個地點是特殊的。這是愛因斯坦廣義相對論的基本思想之一，它是一套準則，準確地描述了行星繞太陽運行的方式，以及中子星如何碰撞產生引力波。不管是 45 億年前月球形成時，還是在千禧年人們欣賞搖滾樂的時候，物理學定律都沒有變化過。

這看上去是個人盡皆知的道理。今天扔出去的球，它的落地方式會和昨天一樣。但是我們怎麼確認隨著時間的流逝，物理學定律真的沒有一點一點發生變化呢？一直以來，始終有一個隱藏的邏輯假設支撐著所有的科學：我們認為飛機會飛，因為它總是這樣；我們認為把小蘇打和醋混在一起會產生泡沫，因為它總是這樣。但是如果物理定律隨著時間和地點慢慢發生了變化，而我們又不能準確意識到呢？

蒙大拿州立大學（Montana State University）的物理學家尼古拉斯•尤尼斯（Nicolas Yunes）認為，這些改變可能是非常非常小的。儘管迄今為止所有的證據都表明物理定律不會改變，但你永遠無法完全確定。

他說：“我們測量的一切都只是近似準確的。如果你用尺子測量距離，那麼測量的精度就和尺子相關。”

要想抓住物理定律變化的蹤跡，你就必須一次又一次地執行同一項任務，在儘可能多的地點進行精確的測量。如果結果發生了變化，那就提示著自然法則發生了變化。派特拉團隊正是在做這樣的實驗：緊盯時鐘滴答作響，長達 14 年之久。

世界上最精確的時鐘

派特拉團隊之所以選擇原子鐘（atomic clocks），是因為它們是迄今為止人類發明的最精確的機器。這些時鐘不是按照鐘擺的擺動或石英晶體的振動來計時，而是跟隨原子的穩定節拍計時。這些原子被設計成能發出光波，以每秒數十億次的頻率振盪。派特拉的時鐘正是利用了這種光的週期——它異常穩定，即使運行數千萬年，這類時鐘也不會增加一秒或損失一秒。

物理學家用這臺氫原子鐘驗證愛因斯坦的廣義相對論。圖片來源：NIST

但是派特拉的團隊對保持時間精確不感興趣，他們正在研究時鐘裡原子發射出的光。光的顏色能告訴你發射這束光的原子結構——原子核和電子相互作用的方式。一個原子的原子核和它的電子都具備輕微的磁性，從而會對彼此形成一個輕微的牽拉力——它們之間存在磁相互作用。

派特拉的實驗室之所以選擇研究這種模糊晦澀的現象，是因為他們可以在時鐘上精確地觀察它。這些時鐘被放在一個溫度和溼度恆定的房間裡，其中的原子被保存在真空密封的空間內。NIST 的員工輪流輪班，把時鐘維護的恰到好處。“如果溫度變化超過 0.5 度，他們就會得到警報去修正它。”派特拉說，“大部分都是自動化的，但是有人一直在看，也有人拿著傳呼機隨時待命。”派特拉的團隊可以把握他們所能想到的每一個環境影響因素，即使是地球的重力，也逃不出他們的名單。

他們還想知道，磁相互作用是否能以相同的方式發生在不同的原子上，所以他們使用了兩種不同類型的時鐘，其中一個包含氫原子，另一個包含銫，後者質量是前者的 100 倍。

在傳說中由伽利略完成的著名實驗裡，從比薩斜塔上扔下兩個相同質量的物體，不管它們的成分如何，二者的加速度是相同的。派特拉的團隊進行的實驗和這類似，他們想要看看兩個由不同數量的質子、電子和中子組成的不同種類原子內的磁相互作用，在不同的時間和空間中的表現是否也是一樣的。

所以從 1999 年 11 月到 2014 年 10 月，他們一次又一次地觀察著這些磁相互作用，他們還能在不需要物理移動時鐘的情況下觀察多個位置下的相互作用。從技術上講，時鐘是繞著地球和太陽轉的，所以每一天、每一次測量實際上都處在宇宙的不同位置。派特拉說：“我們已經讓實驗室繞著太陽移動了 14 圈。”他沒想耍小聰明——事實證明，地球在宇宙中的運行路線是不規則的，還會經過一些意料之外的區域。因為地球的軌道並不是一個完美的圓形，它的軌道隨太陽變化，時鐘的位置移動也隨重力改變。

銫噴泉鍾，世界上最精確的鐘之一。 插圖：Geoffrey Wheeler

不變的定律

結論如何？即使處在地球軌道的不同位置，銫和氫的亞原子粒子在 14 年的時間裡也表現得完全一樣。派特拉的團隊利用人類工程學所能提供的最好的工具，證明了物理學定律在時間和空間上都是不變的。

沒有參與到實驗中的佛羅里達大學的物理學家克利福德•威爾（Clifford Will）說，如果結論適用於地球，那麼在其他地方也不會有太大的偏差。這個假設並非無稽之談，有一些證據表明，地球上的物理學定律在其他星系或宇宙中的其他時間帶中都是通用的。

威爾對這個結果並不感到驚訝。但如果他們發現原子內的磁相互作用每天都在變化，就會顛覆現在的物理理論。威爾提到，“如果你的確有所發現，那就值得去突破極限。”

儘可能地確認物理學定律是很重要的。尤尼斯稱，愛因斯坦的廣義相對論在描述宇宙中觀察到的大部分現象時，其效果真是令人難以置信，但它不能解釋一切。它沒有解釋暗物質是什麼，也沒有解釋為什麼宇宙正在加速膨脹。所以這個理論中仍然有一些缺失，而這些測試將幫助物理學家弄清楚它是什麼。

派特拉的團隊計劃用升級後的時鐘來做這個實驗，介時觀察磁相互作用的精確度將提升三倍。但是他們最終能否找到關於宇宙本質的新線索，只有時間會給我們答案。

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