如何建造＇薛定谔的钟＇？
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物理学家们描述了一种将量子理论和爱因斯坦狭义相对论结合的方法——甚至给出了实验测量的方式，和“薛定谔的猫”类似，在某种程度上它可以被看做“薛定谔的钟”。
撰文 | 乔纳森·奥卡拉汉（Jonathan O'Callaghan）
翻译 | 王昱
阿尔伯特·爱因斯坦的双生子佯谬（twin paradox）是物理学中最著名的思想实验之一。它的基本假设是，如果双胞胎中的一个以接近光速朝一个恒星进行往返航行，当他返回时，会比双胞胎中的另一位更年轻。年龄差异是由时间膨胀引起的，爱因斯坦的狭义相对论描述了这种时间膨胀：速度越快，时间越慢。
但如果我们考虑量子理论呢？在发表于《自然·通讯》的一项研究中，圣安瑟姆学院（Saint Anselm College）和达特茅斯学院（Dartmouth College）的物理学家亚历山大·史密斯（Alexander Smith）以及圣克拉拉大学（Santa Clara University）的梅赫迪·艾哈迈迪（Mehdi Ahmadi）分析了这个问题。他们设想了一个处在叠加态的量子原子钟，它能测量出它经历的两种不同的时间——叠加是量子力学中一个奇特的现象，在叠加态下一个物体可能表现为同时处在两个位置。“我们从爱因斯坦的狭义相对论中知道，当钟相对于另一个钟运动时，它显示的时间会变慢，”史密斯说，“但是量子力学允许你考虑一个问题：如果这个钟以两种不同速度的叠加运动，会发生什么？”
叠加是量子物理的一个奇异特性，它允许一个物体最初可能同时在多个位置，但观测它时，只有其中一种状态变为真。粒子可以在某些实验中处在叠加态，比如用一个分束器把光子分成两束，这样就能展示这种现象。叠加态中的两个粒子似乎在被观测前共享信息，让叠加态这种现象可以用于加密和量子通讯。
同时，一些原子可以充当原子钟，用它们衰变的比例来表示经过的时间。在他们的论文里，史密斯和艾哈迈迪描述了一个处在叠加态的原子钟如何测量时间膨胀，就像爱因斯坦双生子佯谬一样，一个态以几米每秒的速度运动，而另一个保持静止。就像“薛定谔的猫”思想实验描述的那样，原子并不会简单地同时处于两种状态，不同态上的原子年龄的确会有所不同。“这可以说是‘薛定谔的钟’。”史密斯说。
牛津大学的物理学家弗拉特科·韦德拉尔（Vlatko Vedral，未参与这项研究），他说这个观点为量子力学与相对论的融合提供了难得的机会——众所周知，这两个物理学领域并没有很好地结合在一起。他说：“实际上，你可以将量子力学中的叠加原理与相对论中的时间膨胀概念结合起来。这正是爱因斯坦的双生子实验，不过现在作用在同一个系统上。这时时间就扭曲了。最终状态很妙，因为原子回到了它开始的地方，但是在内部，它感受到两种时间。它同时处在新和旧的叠加态。”
尽管这个效应小到人类无法察觉，但量子时间膨胀的观点可能会对高精度量子钟产生影响。至关重要的是，新研究表明测量这样的影响是有可能的。“我希望这篇论文能促使人们在实验室里进行尝试。”韦德拉尔说。史密斯表示可能不久后就会起草实验提案，或许要用光谱学分光，以寻找量子时间膨胀的特征。“我们可能在五到十年内看到这个现象，”他说，“我认为这并不是天方夜谭。”