美國(guó)科羅拉多大學(xué)天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(JILA)物理學(xué)家、上海交通大學(xué)校友葉軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，首次在毫米尺度驗(yàn)證愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論。

根據(jù)廣義相對(duì)論，在引力場(chǎng)中不同高度的原子鐘以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)在更強(qiáng)的引力下，更靠近地球的地方觀測(cè)時(shí)，原子振動(dòng)的頻率會(huì)降低——向電磁波譜的紅端移動(dòng)，這種效應(yīng)被稱為引力紅移。也就是說(shuō)，時(shí)鐘在海拔較低的地方走得更慢。

葉軍帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)以有史以來(lái)最小的尺度驗(yàn)證了這一時(shí)間膨脹效應(yīng)，表明兩個(gè)微小的原子鐘，相隔僅一毫米，也會(huì)以不同速度運(yùn)轉(zhuǎn)。相關(guān)成果發(fā)表在2月17日的《自然》(Nature)期刊上，并榮登封面。

圖片來(lái)自《自然》(Nature)

團(tuán)隊(duì)提出了如何使原子鐘比之前精確50倍的方法，并提供了一條可能揭示相對(duì)論和引力如何與量子力學(xué)相互作用的途徑，而量子力學(xué)是目前物理學(xué)研究中的一個(gè)主要難題。

“最重要和最令人激動(dòng)的成果是，我們有可能將量子物理和引力聯(lián)系起來(lái)，例如，當(dāng)粒子分布在彎曲時(shí)空的不同位置時(shí)來(lái)探測(cè)復(fù)雜的物理學(xué)?！比~軍說(shuō)，“在計(jì)時(shí)方面，成果還表明，使如今的時(shí)鐘再精確50倍，沒(méi)有任何障礙——這是一個(gè)奇妙的消息?！?/p>

愛(ài)因斯坦1915年提出的廣義相對(duì)論揭示了諸如對(duì)時(shí)間的引力效應(yīng)，并具有重要的實(shí)際應(yīng)用，如糾正GPS衛(wèi)星測(cè)量。盡管這個(gè)理論已存在一個(gè)多世紀(jì)，物理學(xué)家仍對(duì)它著迷。多年來(lái)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的科學(xué)家已利用原子鐘越來(lái)越精確地測(cè)量相對(duì)論。例如，NIST物理學(xué)家2010年通過(guò)比較2個(gè)相距33厘米的原子鐘來(lái)驗(yàn)證廣義相對(duì)論。

JILA實(shí)驗(yàn)室則由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合運(yùn)營(yíng)。

在本次實(shí)驗(yàn)中，葉軍團(tuán)隊(duì)主要利用光學(xué)晶格時(shí)鐘進(jìn)行研究。團(tuán)隊(duì)先用6束激光將10萬(wàn)個(gè)鍶原子逐步冷卻，最后用紅外激光將鍶原子維持在超冷狀態(tài)，并裝載在一個(gè)光學(xué)晶格中。晶格可以想象成由激光束產(chǎn)生的一疊煎餅，這種設(shè)計(jì)減少了由光和原子散射引起的晶格扭曲，使樣品均勻化，并擴(kuò)展了原子的物質(zhì)波。原子的能量狀態(tài)控制得很好，創(chuàng)下了量子相干時(shí)間37秒的紀(jì)錄。

研究人員在這一小片鍶原子云中測(cè)量了時(shí)間膨脹效應(yīng)，圖片來(lái)自NIST

提升精度至關(guān)重要的，是該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新的新成像方法。這種方法能提供整個(gè)樣本頻率分布的微觀圖，從而能夠比較一個(gè)原子團(tuán)的兩個(gè)區(qū)域，而不是沿用兩個(gè)獨(dú)立原子鐘的傳統(tǒng)方法。

通過(guò)原子團(tuán)測(cè)量到的紅移很小，在0.000000000000001的范圍內(nèi)，也就是一千億億分之一。雖然這一微小的尺度，人類無(wú)法直接感知，但這些差異加在一起對(duì)宇宙以及GPS等技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。研究團(tuán)隊(duì)利用約30分鐘的平均數(shù)據(jù)解決這一問(wèn)題。經(jīng)過(guò)90小時(shí)的數(shù)據(jù)處理后，測(cè)量精度比以往任何時(shí)鐘都要高出50倍。

相隔1毫米的原子鐘時(shí)間差一千億億分之一，圖片來(lái)自論文

“這是一場(chǎng)全新的比賽，一種可以在彎曲時(shí)空中探索量子力學(xué)的新方法，”葉軍表示，“如果我們能測(cè)量比這更精確10倍的引力紅移，我們就能看到穿越時(shí)空曲率的原子整個(gè)物質(zhì)波。例如，在如此微小的尺度上測(cè)量時(shí)差，可以使我們發(fā)現(xiàn)引力會(huì)破壞量子相干性，這可能是我們的宏觀世界（依舊）是經(jīng)典物理學(xué)世界的根本原因?！?/p>

更精準(zhǔn)的時(shí)鐘除了用于計(jì)時(shí)和導(dǎo)航外，還有更多用途。葉軍認(rèn)為，原子鐘既可以作為顯微鏡來(lái)觀察量子力學(xué)和引力之間的微小聯(lián)系，也可以作為望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察宇宙的最深處。他正運(yùn)用原子鐘尋找神秘的暗物質(zhì)，科學(xué)家相信暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙中的大部分物質(zhì)。原子鐘還可通過(guò)“相對(duì)論測(cè)地學(xué)”(relativistic geodesy)，進(jìn)一步測(cè)量地球形狀并改善模型。