100多年后,仍是最成功的理论

作者: Gaviota

来源: https://aktuelles.uni-frankfurt.de/englisch/einsteins-photoelectric-effect-the-time-it-takes-for-an-electron-to-be-released/

发布日期: 2022-03-14 20:32:36

爱因斯坦的理论在100多年后仍然被不断验证,新的实验和研究继续支持他的理论,包括光电效应、洛伦兹对称性和引力时间膨胀的验证。

143年前,1879年3月14日,德意志南部小城乌尔姆的一个犹太家庭迎来了一个新生命,取名阿尔伯特·爱因斯坦。尽管爱因斯坦本人非常不喜欢庆祝生日,但一百多年后,这一天已经成了全世界爱好物理的人共同庆祝的“节日”。如今,这个名字已然成了当代物理学的代名词。时至今日,他的理论仍然散发着不同寻常的光芒。新的实验和研究仍在不断验证他的正确性。

当光照射到一种材料时,电子可以从材料中被释放出来,这就是著名的光电效应。爱因斯坦最早在“1905奇迹年”发表了有关光电效应的理论。它成了马克斯·普朗克光量子假说的决定性证据,并为现代量子理论铺平了道路。爱因斯坦也因此成为1921年诺贝尔物理学奖得主。虽然这种效应在量子理论的发展中起到了重要作用,但有关它仍有许多谜团没有解开。比如,人们还不清楚,光子被吸收后,电子释放出的速度有多快。

直到近日,一组研究团队利用反应显微技术找到了这个问题的答案。电子放射的发生“在电光火石间”,也就是数阿秒之内。虽然爱因斯坦因为光电效应获得了诺贝尔奖,但他对物理学的贡献远不止于此。爱因斯坦的相对论是20世纪和21世纪物理学不可或缺的基石理论。相对论认为,光速是速度的极限,宇宙中物质运动的速度永远不会超过光速。这则“金科玉律”可以通过洛伦兹对称性破缺进行检验。

简单来说,相对论要求物理定律遵守洛伦兹对称性,这已经被无数次地验证。但一些量子引力理论则认为,在极高的能量下,相对论存在需要被修正的可能性,在这种情况下,洛伦兹对称性可能发生破缺,此处也正是寻找“新物理”的窗口。今年2月,我国高海拔宇宙线实验LHAASO利用高能伽马射线观测结果,检验了洛伦兹对称性,这是迄今为止对此类洛伦兹对称性进行的最严格的检验。结果再一次证实了爱因斯坦理论的正确性。

研究并没有发现任何“消失”迹象,也就是说,洛伦兹对称性在这种高能状态下仍然成立。爱因斯坦的广义相对论预言,一个大质量物体的引力场会扭曲时空,当你越靠近这个物体时,时间也会流逝得更慢。这个现场被称为引力时间膨胀,它是可以测量的,特别是在像地球这样大物体的附近。近日,科学家利用原子钟已经在目前达到的最小尺度,也就是毫米尺度上,测量了时间膨胀。

在新研究中,由物理学家希蒙·科科维茨领导的团队在原子钟的稳定性上迈出了一大步。同时,另一个由华人科学家叶军领导的团队则测量了一个由约10万个超冷锶原子组成的单一样本的顶部和底部之间的频率偏移,从而展示了两个相隔仅一毫米的微型原子钟会以不同速率运转。尽管这种差异对人类而言太小了,以至于我们完全无法直接感知,但时间膨胀效应对宇宙以及GPS等技术具有重大影响。

更稳定、性能更好的原子钟在计时和导航之外还存在着更多潜在应用,包括在基础科学领域帮助探索量子力学与引力的联系,或者寻找暗物质的存在。

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