只要降低一毫米，时间也会变慢！科学家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。这不是玄学，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。△验证时钟在不同高度差下变快（图片来自Nature）今天Nature封面上的一篇文章证明，即使只有一毫米的高度差，时间流逝的速度也是不同的。相对论实验。该研究来自美国科罗拉多大学JILA实验室叶军团队。他带领团队研制出世界上最精确的原子钟，得出的时间差大约是高度差的千亿分之一毫米，大约3000亿年只有一秒，这与与广义相对论的预言。这种由不同引力引起的时间差异称为引力红移。虽然经过无数次验证，但如此高精度的检测还是第一次。重力改变光的频率广义相对论指出，更强的引力场会减慢时间，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，会向红色一侧移动，称为“引力红移”。当时，科学家用火箭将原子钟送上万公里的高空，发现它比海平面钟还快，73年快了1秒左右。△验证时钟在不同高度差下变快（图片来自Nature）这种差距虽然不能被人体感知，但却与我们的生活息息相关，因为GPS必须修正这个极小的时差才能准确定位。几乎在12年前的同一天，加州大学伯克利分校的一个团队测量了两个高度相差33厘米的原子钟之间的时差。现在叶军的团队可以测出原子云中原子气体上下两端的时间差，两者的高度差只有一毫米！叶军团队的超精密光晶格钟为何如此精准？那是因为他们使用了一种更精确的时钟——光学晶格时钟。该系统首先使用6束激光逐渐冷却10万个锶原子，最后使用红外线激光将锶原子维持在超冷状态。由于激光的相干性，较低能量的区域周期性地出现在空间中，从而将锶原子限制在薄饼状空间中。△光学晶格钟原理（图片来自NIST）这种设计减少了光和原子散射引起的晶格畸变，使样品均质化，扩大了原子的物质波。原子的能量状态得到很好的控制，因此创造了37秒的所谓量子相干时间记录。提高精度的关键是叶君团队开发的一种新的成像方法。这种方法可以提供整个样本频率分布的微观图像。这样，他们就可以比较原子簇的两个区域，而不是使用两个独立原子钟的传统方法。锶原子冷却后，用激光束激发它，将其外层电子推入更高的轨道。由于只有非常小的激光频率范围可以激发电子，因此只需将激光调谐到精确的激发频率并进行测量，即可极其精确地测量时间。△激光激发的锶原子测量频率（图片来自NIST）由于一毫米范围内的红移很小，大约只有0.0000000000000000001（不算，一共19个零）。为了提高准确率，研究团队使用了大约30分钟的平均数据来解决这个问题。经过90小时的数据分析，他们的测量结果为9.8(2.3)×10-20mm-1，在误差范围内，与广义相对论吻合较好。将量子力学和广义相对论联系起来，该研究的通讯作者JunYe表示，这一突破可以将时钟的精度提高50倍。这有望提高GPS的精度。由于引力红移，必须对GPS原子钟进行时间校正。时间校正越准确，定位精度越高。这对物理学来说更为重要。最令人兴奋的是，我们现在可以将量子力学与引力联系起来！叶军表示，精确的原子钟将为探索弯曲时空的量子力学开辟可能性，例如分布在弯曲时空不同位置的粒子的复杂物理状态。此外，如果当前的测量能够提高10倍，研究团队将能够看到原子穿过时空曲率时的整个物质波。这意味着可以探索量子尺度的引力效应。加拿大滑铁卢大学的理论物理学家FlaminiaGiacomini同意原子钟是探索这个问题最有前途的系统之一。叶军说：或许正是这种微小的频率差异，打破了量子相干性，让宏观时间成为经典。此外，原子钟可用于显微镜，观察量子力学与引力之间的微妙联系。同时，它还可以应用于天文望远镜，更准确地观察宇宙。事实上，叶军教授也在利用原子钟寻找神秘的暗物质。即使在大地测量学中，原子钟也可以帮助研究人员更进一步地测量地球并改进模型。通讯作者叶军最后，让我们认识一下本研究的通讯作者——叶军。叶军是美国科罗拉多大学物理系教授，美国科罗拉多大学联合成立的实验天体物理实验室（JILA）研究员。美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学。叶军毕业于上海交通大学应用物理系，获学士学位；他毕业于科罗拉多大学，师从诺贝尔奖获得者约翰·霍尔，获得博士学位。Since1999,YeJunhastaughtattheUniversityofColoradoBoulder,andtookoverthemanagementofthelaboratoryafterHallretiredin2008.In2011,YeJunwaselectedasanacademicianoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStates;in2017,hewaselectedasaforeignacademicianoftheChineseAcademyofSciences;2020年获得“墨子量子奖”，2021年获得基础物理学科学突破奖。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，叶军和他的研究团队制成了世界上第一台7000万年误差仅为1秒的锶原子光钟。此后，他不断刷新该领域的新纪录。2017年，他的团队设计的新型原子钟将锶原子包装成微小的三维立方体，密度比以往一维原子钟设计中锶原子的密度提高了近1000倍，进一步提高了测量精度原子钟。2020年，叶军团队在3天内发表了Nature和Science论文。他的团队发表在《自然》的《Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature》上，首次实现了量子简并气体。另一篇发表在《Science》上的论文《Resonant collisional shielding of reactive molecules using electric fields》用量子力学的理论解释了分子之间的碰撞。论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7
