Nature封面：只低一毫米，时间也会变慢！叶军团队首次在毫米尺度验证广义相对论

晓查 明敏 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

你知道吗？在地球上，楼层越低，时间过得越慢。

这可不是玄学，而是爱因斯坦广义相对论预言的时间膨胀效应：引力越大，时间越慢。

△ 在不同高度差上验证时钟变快（图片来自Nature）

今天Nature封面的一篇文章证明了，即使高度差只有一毫米，时间流逝的速度也不一样，这是迄今为止在最小尺度上验证广义相对论的实验。

该研究来自于美国科罗拉多大学JILA实验室的叶军团队。

他率团队开发出世界上最精确的原子钟，得出在一毫米高度差上，时间相差大约一千亿亿分之一，也就是大约3000亿年只相差1秒，与广义相对论预言一致。

这种由于引力不同造成的时间差叫做引力红移，虽然已经得到无数次验证，但是如此高精度的检测还是头一次。

引力改变光频率

广义相对论指出，引力场越强，时间就越慢，从而改变电磁波的频率。

如果一束蓝光射向天空，在引力的作用下，就会向红色端移动，称之为“引力红移”。

虽然爱因斯坦早在1915年就预测了这种现象，但是这种“移动”非常小，直到1976年才有了第一次精确的实验验证。

当时科学家用火箭将原子钟送到1万公里的高空，发现它比海平面时钟快，大约73年快一秒。

△ 在不同高度差上验证时钟变快（图片来自Nature）

虽然这种差距身体无法感知，但却与我们的生活息息相关，因为GPS必须要修正这个极小的时间差才能精确定位。

几乎在12年前的同一天，来自UC伯克利的团队测量了高度差33厘米的两个原子钟的时间差。

现在叶军团队可以做到测量一个原子云内，原子气体上下两端的时间差，而二者之间高度只相差一毫米！

超精准的光晶格钟

为何叶军团队能做到如此精确？那是因为他们使用了一种更精确的时钟——光晶格钟（optical lattice clock）。

这套系统先用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。

由于激光的相干性，空间中会有周期出现能量较小的区域，从而将锶原子束缚在一个个煎饼形状的空间里。

△ 光晶格钟原理（图片来自NIST）

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非常好，创下了所谓的量子相干时间37秒的纪录。

而对提高精度至关重要的，是叶军团队开发的新成像方法。这种方法能提供整个样本的频率分布的微观图。

这样，他们就可以比较一个原子团的两个区域，而不是使用两个独立原子钟的传统方法。

将锶原子冷却后，然后再用一束激光来激发它，将它的外层电子激发到更高的轨道上。

由于只有极小范围的激光频率可以激发电子，因此只要调节激光到恰好激发的频率并测量，就可以极其精确地测量时间。

△ 激光激发锶原子测量频率（图片来自NIST）

由于一毫米范围内的红移很小，大约只有0.0000000000000000001（别数了，总共19个0），为了能提高精度，研究团队用大约30分钟的平均数据解决此问题。

经过90小时的数据分析，他们的测量结果是9.8(2.3)×10^-20mm^-1，在误差范围内，与广义相对论符合得很好。

连接量子力学和广义相对论

本项研究的通讯作者叶军表示，此次突破可以把时钟的精确度提升50倍。

这有望提高GPS的精确度。

由于引力红移，必须对GPS的原子钟做时间修正，时间修正越准确，也就意味着定位的精度可以越高。

而这对于物理学更是具有重大意义。

最让人兴奋的是，我们现在可以将量子力学和引力联系在一起了！

叶军表示，精确的原子钟将开启在弯曲时空中探索量子力学的可能，比如分布在弯曲时空中不同位置的粒子，是处于怎样的复杂物理状态。

而且，如果能够将目前的测量效果再提升10倍，研究团队就能看到穿过时空曲率时，原子的整个物质波。

也就意味着可以开始探索量子尺度下的引力效应。

加拿大滑铁卢大学理论物理学家Flaminia Giacomini也表示，原子钟是探索这一问题最有希望的系统之一。

叶军表示：也许正是这种微小的频率差打破了量子相干性，才让宏观时间变得经典。

此外，原子钟还可以被应用在显微镜上，来观察量子力学和引力之间的微妙联系。同时也能被应用在天文望远镜上，来更加精确地观测宇宙。

事实上，叶军教授也正在用原子钟寻找神秘的暗物质。

甚至在大地测量学上，原子钟也能帮助研究人员更进一步精确测量地球、改进模型。

通讯作者叶军

最后，我们再来了解一下本项研究的通讯作者——叶军。

叶军是美国科罗拉多大学物理系教授、美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学联合建立的实验天体物理实验室（JILA）研究院。

叶军本科毕业于上海交通大学应用物理系；博士毕业于科罗拉多大学，师从诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔。

自1999年开始，叶军在科罗拉多大学博尔德分校任教，在2008年霍尔退休后接手了实验室的管理工作。

2011年，叶军当选为美国国家科学院院士；2017年，当选为中国科学院外籍院士；2020年获得“墨子量子奖”，2021年获得科学突破奖基础物理学奖。

其主要研究领域为超冷原子-分子、精密测量、多体量子物理等。

2007年，叶军及研究团队做出了世界上首台“每7000万年仅误差1秒”的锶原子光钟。

之后，他在这一领域不断刷新纪录。

2017年，其团队设计的新型原子钟，将锶原子装入微小的三维立方体中，密度较以前一维原子钟设计中锶原子的密度高出近1000倍，进一步提升原子钟测量精度。

2020年，叶军团队曾在3天内连发Nature、Science论文。

发表在Nature上的《Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature》中，其团队首次实现量子简并气体。

另一篇发表在Science的论文《Resonant collisional shielding of reactive molecules using electric fields》，则用量子力学理论解释了分子间的碰撞。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7

参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-022-00379-x
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220216112213.htm
[3]https://www.quantamagazine.org/an-atomic-clock-promises-link-between-quantum-world-and-gravity-20211025/
[4]https://www.nist.gov/news-events/news/2022/02/jila-atomic-clocks-measure-einsteins-general-relativity-millimeter-scale
[5]https://news.berkeley.edu/2010/02/17/gravitational_redshift/