爱因斯坦又对了!叶军团队证实相隔1毫米时间差一千亿亿分之一

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美国科罗拉多大学天体物理联合实验室(JILA)物理学家、上海交通大学校友叶军带领团队,首次在毫米尺度验证爱因斯坦广义相对论。
根据广义相对论,在引力场中不同高度的原子钟以不同的速度转动。当在更强的引力下,更靠近地球的地方观测时,原子振动的频率会降低——向电磁波谱的红端移动,这种效应被称为引力红移。也就是说,时钟在海拔较低的地方走得更慢。
叶军带领的研究团队以有史以来最小的尺度验证了这一时间膨胀效应,表明两个微小的原子钟,相隔仅一毫米,也会以不同速度运转。相关成果发表在2月17日的《自然》(Nature)期刊上,并荣登封面。

图片来自《自然》(Nature)

团队提出了如何使原子钟比之前精确50倍的方法,并提供了一条可能揭示相对论和引力如何与量子力学相互作用的途径,而量子力学是目前物理学研究中的一个主要难题。
“最重要和最令人激动的成果是,我们有可能将量子物理和引力联系起来,例如,当粒子分布在弯曲时空的不同位置时来探测复杂的物理学。”叶军说,“在计时方面,成果还表明,使如今的时钟再精确50倍,没有任何障碍——这是一个奇妙的消息。”
爱因斯坦1915年提出的广义相对论揭示了诸如对时间的引力效应,并具有重要的实际应用,如纠正GPS卫星测量。尽管这个理论已存在一个多世纪,物理学家仍对它着迷。多年来,美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家已利用原子钟越来越精确地测量相对论。例如,NIST物理学家2010年通过比较2个相距33厘米的原子钟来验证广义相对论。
JILA实验室则由美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。
在本次实验中,叶军团队主要利用光学晶格时钟进行研究。团队先用6束激光将10万个锶原子逐步冷却,最后用红外激光将锶原子维持在超冷状态,并装载在一个光学晶格中。晶格可以想象成由激光束产生的一叠煎饼,这种设计减少了由光和原子散射引起的晶格扭曲,使样品均匀化,并扩展了原子的物质波。原子的能量状态控制得很好,创下了量子相干时间37秒的纪录。

研究人员在这一小片锶原子云中测量了时间膨胀效应,图片来自NIST

提升精度至关重要的,是该团队创新的新成像方法。这种方法能提供整个样本频率分布的微观图,从而能够比较一个原子团的两个区域,而不是沿用两个独立原子钟的传统方法。
通过原子团测量到的红移很小,在0.000000000000001的范围内,也就是一千亿亿分之一。虽然这一微小的尺度,人类无法直接感知,但这些差异加在一起对宇宙以及GPS等技术产生了重大影响。研究团队利用约30分钟的平均数据解决这一问题。经过90小时的数据处理后,测量精度比以往任何时钟都要高出50倍。

相隔1毫米的原子钟时间差一千亿亿分之一,图片来自论文

“这是一场全新的比赛,一种可以在弯曲时空中探索量子力学的新方法,”叶军表示,“如果我们能测量比这更精确10倍的引力红移,我们就能看到穿越时空曲率的原子整个物质波。例如,在如此微小的尺度上测量时差,可以使我们发现引力会破坏量子相干性,这可能是我们的宏观世界(依旧)是经典物理学世界的根本原因。”
更精准的时钟除了用于计时和导航外,还有更多用途。叶军认为,原子钟既可以作为显微镜来观察量子力学和引力之间的微小联系,也可以作为望远镜来观察宇宙的最深处。他正运用原子钟寻找神秘的暗物质,科学家相信暗物质构成了宇宙中的大部分物质。原子钟还可通过“相对论测地学”(relativistic geodesy),进一步测量地球形状并改善模型。

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