检验时空的对称性

1887年，物理学家阿尔伯特·迈克耳孙（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）为了检测“以太”是否存在，进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验。在实验中，他们运用旋转的干涉仪，比较了两束相互垂直方向的光的速度。结果发现，沿两条垂直光轴传播的光速是相同的。这个实验结果成为后来爱因斯坦狭义相对论中的一个基本原理：光速在空间的各个方向上是相同的。

也就是说，光的运动具有空间上的对称性，即洛伦兹对称，那么有人或许想问：这种空间对称性是否也适用于物质粒子的运动吗？或者说在粒子的能量相同的情况下，它们是否会沿着某个方向运动得更快些或更慢些吗？有一些量子引力理论预测，粒子会违反洛伦兹对称性，尤其是高能粒子。

○ 科学家对两个原子钟进行了长达六个月的监测，以检验爱因斯坦狭义相对论中的一个基本原则。图中的每个原子钟都含有一个镱离子。| 图片来源：PTB

最先进的”原子钟“可以精确地检验时空的基本对称性。为了更准确地研究这一问题，德国联邦物理技术研究院（PTB）的物理学家用两个镱离子（Yb+）原子钟进行了长期实验。原子钟的频率由存储在阱中的单个镱离子的共振频率控制，这两个镱离子会以特定的频率对光进行吸收和释放。在基态时，镱离子的电子会呈球形对称分布，但当处于激发态时，这些电子的波函数会明显伸长，因此主要会沿着一个空间方向运动。波函数的方向由施加在原子钟内部的磁场决定。

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○ 一个可调谐的激光器在原子钟的镱离子中激发出极窄的频带共振。离子的激发态电子波函数用黄色表示，它们的方向保持垂直。用可调频移的激光考察两个电子波函数，就可以测量可能出现的频率差异。整个实验装置每天与地球一起旋转一次。| 图片来源：PTB