美國科羅拉多大學(xué)天體物理聯(lián)合實驗室(JILA)物理學(xué)家、上海交通大學(xué)校友葉軍帶領(lǐng)團隊，首次在毫米尺度驗證愛因斯坦廣義相對論。

根據(jù)廣義相對論，在引力場中不同高度的原子鐘以不同的速度轉(zhuǎn)動。當在更強的引力下，更靠近地球的地方觀測時，原子振動的頻率會降低——向電磁波譜的紅端移動，這種效應(yīng)被稱為引力紅移。也就是說，時鐘在海拔較低的地方走得更慢。

葉軍帶領(lǐng)的研究團隊以有史以來最小的尺度驗證了這一時間膨脹效應(yīng)，表明兩個微小的原子鐘，相隔僅一毫米，也會以不同速度運轉(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。

圖片來自《自然》(Nature)

團隊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)研究中的一個主要難題。

“最重要和最令人激動的成果是，我們有可能將量子物理和引力聯(lián)系起來，例如，當粒子分布在彎曲時空的不同位置時來探測復(fù)雜的物理學(xué)。”葉軍說，“在計時方面，成果還表明，使如今的時鐘再精確50倍，沒有任何障礙——這是一個奇妙的消息?！?/p>

愛因斯坦1915年提出的廣義相對論揭示了諸如對時間的引力效應(yīng)，并具有重要的實際應(yīng)用，如糾正GPS衛(wèi)星測量。盡管這個理論已存在一個多世紀，物理學(xué)家仍對它著迷。多年來，美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)的科學(xué)家已利用原子鐘越來越精確地測量相對論。例如，NIST物理學(xué)家2010年通過比較2個相距33厘米的原子鐘來驗證廣義相對論。

JILA實驗室則由美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)和科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合運營。

在本次實驗中，葉軍團隊主要利用光學(xué)晶格時鐘進行研究。團隊先用6束激光將10萬個鍶原子逐步冷卻，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)下了量子相干時間37秒的紀錄。

研究人員在這一小片鍶原子云中測量了時間膨脹效應(yīng)，圖片來自NIST

提升精度至關(guān)重要的，是該團隊創(chuàng)新的新成像方法。這種方法能提供整個樣本頻率分布的微觀圖，從而能夠比較一個原子團的兩個區(qū)域，而不是沿用兩個獨立原子鐘的傳統(tǒng)方法。

通過原子團測量到的紅移很小，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，人類無法直接感知，但這些差異加在一起對宇宙以及GPS等技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。研究團隊利用約30分鐘的平均數(shù)據(jù)解決這一問題。經(jīng)過90小時的數(shù)據(jù)處理后，測量精度比以往任何時鐘都要高出50倍。

相隔1毫米的原子鐘時間差一千億億分之一，圖片來自論文

“這是一場全新的比賽，一種可以在彎曲時空中探索量子力學(xué)的新方法，”葉軍表示，“如果我們能測量比這更精確10倍的引力紅移，我們就能看到穿越時空曲率的原子整個物質(zhì)波。例如，在如此微小的尺度上測量時差，可以使我們發(fā)現(xiàn)引力會破壞量子相干性，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。”

更精準的時鐘除了用于計時和導(dǎo)航外，還有更多用途。葉軍認為，原子鐘既可以作為顯微鏡來觀察量子力學(xué)和引力之間的微小聯(lián)系，也可以作為望遠鏡來觀察宇宙的最深處。他正運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“相對論測地學(xué)”(relativistic geodesy)，進一步測量地球形狀并改善模型。