Nature封面：首次在毫米尺度验证广义相对论

你知道吗？在地球上，楼层越低，时间过得越慢。

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。

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”。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。