143年前，1879年3月14日，德意志南部小城烏爾姆的一個猶太家庭迎來了一個新生命，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，這個名字已然成了當(dāng)代物理學(xué)的代名詞。時至今日，他的理論仍然散發(fā)著不同尋常的光芒。新的實驗和研究仍在不斷驗證他的正確性。

  阿秒之內(nèi)的光電效應(yīng)  

當(dāng)光照射到一種材料時，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)獎得主。

光量子，也就是光子，會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，一組研究團隊利用反應(yīng)顯微技術(shù)找到了這個問題的答案。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量，因為這段時長格外短，甚至無法進行直接測量。

在這項新研究中，團隊采用了間接方法。研究人員向反應(yīng)顯微鏡中心的一氧化碳（CO）樣本發(fā)射了極強的X射線。一氧化碳分子由一個氧原子和一個碳原子組成。這束X射線具有恰到好處的能量，可以將其中一個電子從碳原子的最內(nèi)層電子殼中移出。這個分子隨之破裂。然后，他們對氧原子和碳原子以及釋放的電子進行了測量。

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

雖然愛因斯坦因為光電效應(yīng)獲得了諾貝爾獎，但他對物理學(xué)的貢獻遠不止于此。愛因斯坦的相對論是20世紀和21世紀物理學(xué)不可或缺的基石理論。

相對論認為，光速是速度的極限，宇宙中物質(zhì)運動的速度永遠不會超過光速。這則“金科玉律”可以通過洛倫茲對稱性破缺（或洛倫茲不變性破壞）進行檢驗。

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

礙于目前實驗技術(shù)的限制，在實驗室中創(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，洛倫茲對稱性破缺在這些高能粒子中也更容易探測到。洛倫茲對稱性破缺會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“自動消失”，在觀測中就會出現(xiàn)能譜上特定能量的截斷現(xiàn)象。

LHAASO位于四川稻城，是我國自主設(shè)計建造運行的宇宙線觀測實驗。| 圖片來源：IHEP/LHAASO Collaboration

今年2月，我國高海拔宇宙線實驗LHAASO利用高能伽馬射線觀測結(jié)果，檢驗了洛倫茲對稱性，這是迄今為止對此類洛倫茲對稱性進行的最嚴格的檢驗。結(jié)果再一次證實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，洛倫茲對稱性在這種高能狀態(tài)下仍然成立。

  最小尺度上的時間膨脹  

愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言，一個大質(zhì)量物體的引力場會扭曲時空，當(dāng)你越靠近這個物體時，時間也會流逝得更慢。這個現(xiàn)場被稱為引力時間膨脹，它是可以測量的，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)在目前達到的最小尺度，也就是毫米尺度上，測量了時間膨脹。

如果你在以上地方生活了30年，你會年長或者年輕多少？

原子鐘是迄今發(fā)明的最精確的計時裝置，它通過探測原子中的兩個電子態(tài)之間的躍遷能來計時。最好的原子鐘格外穩(wěn)定，即使運行了宇宙年齡的時長后，誤差仍不到一秒。這種精確度也讓科學(xué)家有機會進行許多驚人的實驗。

根據(jù)廣義相對論，處于引力場中不同高度的原子鐘會以不同的速度運轉(zhuǎn)。當(dāng)在更強的引力（距離地球更近）下觀測時，原子輻射的頻率會降低，也就是向電磁波譜的紅端移動。換句話說，在低海拔地區(qū)，原子鐘運轉(zhuǎn)得更慢。這種現(xiàn)象已經(jīng)被實驗反復(fù)證實。

在新研究中，由物理學(xué)家希蒙·科科維茨（Shimon Kolkowitz）領(lǐng)導(dǎo)的團隊在原子鐘的穩(wěn)定性上邁出了一大步。同時，另一個由華人科學(xué)家葉軍領(lǐng)導(dǎo)的團隊則測量了一個由約10萬個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）的微型原子鐘會以不同速率運轉(zhuǎn)。

葉軍和團隊的新實驗采用了一系列創(chuàng)新，使得原子的能量狀態(tài)得到了很好的控制。實驗測得的整個原子云的紅移非常小，大約在0.0000000000000000001的范圍內(nèi)。團隊繪制了時間膨脹的線性斜率隨垂直距離的變化，結(jié)果正如廣義相對論所預(yù)測的。

盡管這種差異對人類而言太小了，以至于我們完全無法直接感知，但時間膨脹效應(yīng)對宇宙以及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時和導(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。