超冷原子可以在量子领域中测试相对论

在由激光制成的原子“摩天轮”内限制和旋转极冷的原子或分子，可以在量子尺度上检验相对论的预测

新科学家 By Karmela Padavic-Callaghan

21 October 2025

Physics

旋转的超冷原子可以帮助我们揭示相对论的限制。Shutterstock / Dmitriy Rybin

从光和极冷粒子弄成的微小“摩天轮”可以允许研究人员在前所未有的小尺度上测试阿尔伯特·爱因斯坦相对论的一个方面。

爱因斯坦在20世纪初制定的狭义相对论和广义相对论通过揭示移动的时钟能比静止呆着的时钟更慢滴答重新形成了我们的时间的理解。如果你移动得足够快或如果你足够加速，你测量时间将变得被稀释；如果你发现你自己在原地打转同样的能发生。对相对大的物体这些现象已经被观察到，但沙特阿拉伯沙特国王大学的瓦西里斯（Vassilis Lembessis）和他的同事现在也已经设计了一种在非常小的尺度上来测试它们的方法。

要研究我们能控制的最小物体原子和分子的旋转和时间，他们转向了仅比最冷可能的温度高几百万分之几度的超冷领域。在这里，量子属性以及原子和分子的运动能被用激光束和电磁场极端精确地操纵。事实上，2007年，瓦西里斯和其他几位同事开发了一种调谐激光束以便它们保持原子被约束成一个圆柱体的形状并在一个圆柱体形状内旋转的方法。他们叫它为“光学摩天轮”， 瓦西里斯说，他的团队的新计算表明它能被用来观察被超冷粒子测量的相对论时间稀释。

他们的计算表明氮分子对在量子世界中测试旋转时间稀释将是良好候选者。考虑到在它们中电子的运动为一个内部时钟的滴答，研究人员可以检测滴答频率中的一个移变小到10千万亿分之一。

与此同时，瓦西里斯说迄今为止光学摩天轮的实验一直是相对的罕见。因此，新的提议为在一个未经探索的其中新的或意想不到的可能发生的环境中测试相对论打开大门。例如，超冷粒子的量子性质可能质疑 “时钟假说”，该假说规定一个时钟的加速度多么多的改变它的滴答。

英国赫瑞瓦特大学的帕特里克（PatrikÖhberg）说：“来检查和确认我们的自然中物理现象的理解是重要的。当我们得到一个惊奇、某些意想不到的东西时我们需要来修改我们的理解并获得一个宇宙的更深入的了解。这项工作提出一种与机械设置相比有一些清楚的优势的来检查相对论系统的替代方法”。

例如，英国斯特拉斯克莱德大学的艾丹·阿诺德说，虽然像时间稀释等相对论效应通常要求很快的运动，但用光学摩天轮无需不切实际的大速度它们是可获得的。他说，“用原子钟的令人难以置信的准确性……被摩天轮原子‘感觉到’的时间变化应该是值得注意的。此外，因为加速的原子不旅行的很远，会有许多的时间来测量这种变化”。

瓦西里斯说，改变激光束的焦点也可能控制摩天轮会约束粒子的大小，这样对不同旋转测试时间稀释效应。但也会有技术挑战，例如确保原子或分子随它们旋转不会加热起来并变得不可控制的。

期刊参考：Physical Review A DOI: 10.1103/5m6c-hfqt

https://www.newscientist.com/article/2500688-ultracold-atoms-could-test-relativity-in-the-quantum-realm/