量子时间扭曲提供了一种创造薛定谔时钟的方法

阿尔伯特·爱因斯坦的孪生悖论是物理学中最著名的思想实验之一。它假设，如果你以接近光速的速度送两个双胞胎中的一个回到一颗恒星，当他们回家时，他们将比他们的同父异母的兄弟姐妹年轻。年龄差异是时间膨胀的结果，爱因斯坦的狭义相对论描述了这一现象：你旅行得越快，时间似乎就过得越慢。

但是如果我们把量子理论引入这个问题呢？圣安塞姆学院和达特茅斯学院的物理学家亚历山大·史密斯和圣克拉拉大学的迈赫迪·艾哈迈迪在今天发表在“自然通讯”杂志上的一项研究中阐述了这一观点。科学家们想象着，当一个量子原子钟处于叠加状态时，它会经历两个不同的时间-这是量子力学的一种怪癖，在这种情况下，某些东西似乎同时存在于两个地方。史密斯说：“我们从爱因斯坦的狭义相对论中知道，当一个钟相对于另一个钟运动时，上面显示的时间就会变慢。”“但量子力学让你可以开始思考，如果这个钟以两种不同的速度叠加运行，会发生什么。”

叠加是量子物理学中一个奇怪的方面，一个物体最初可以同时处于多个位置，但当它被观察到时，只有一个状态成为真。在某些实验中，粒子可以叠加在一起，例如那些使用分束器来分割光子的实验，以显示行动中的现象。叠加中的两个粒子似乎共享信息，直到它们被观察到为止，这使得这种现象对加密和量子通信等应用很有用。

与此同时，一些原子可以起到原子钟的作用，它们的衰变速度可以记录时间的流逝。在他们的论文中，史密斯和艾哈迈迪描述了处于叠加状态的原子钟如何经历时间膨胀，就像爱因斯坦的双胞胎实验一样，如果其中一个叠加态以每秒几米的速度移动，而另一个保持不变。正如薛定谔的CAT实验所描述的那样，原子不是简单地同时处于两种状态，而是这两种状态的年龄实际上是不同的。“它有点像‘薛定谔的钟’，”史密斯说。

牛津大学(University Of Oxford)物理学家弗拉特科·韦德拉尔(Vlatko Vedral)没有参与这项研究，他说，这个想法为量子力学和相对论的融合提供了一个难得的机会-这两个物理学领域臭名昭著地不能很好地融合。“你实际上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，”他说。“这确实是爱因斯坦的双胞胎，但现在适用于相同的系统。这就是问题所在。最后的状态真的很神奇，因为原子又回到了你开始的位置，但在内部，它感觉是两个不同的时间。它是在同时变得更老和更年轻的叠加中。“。

尽管这种影响太小，人类无法察觉，但这种量子时间膨胀的想法可能会对高精度量子钟产生影响。最重要的是，这项新的研究表明，通过实验来衡量这种影响是可能的。“我希望这篇论文真的能促使人们在实验室里尝试这样做，”维德拉尔说。史密斯建议在不久的将来可能会起草一份实验方案，可能会使用光谱学来分裂光，以寻找量子时间膨胀的特征。“我们或许能在未来5到10年内看到这一点，”他说。“我认为这绝不是科幻小说。”