科学家发现毫米级“时间膨胀”

2021年9月，美籍华裔科学家叶军发明的“光学晶格时钟”，是人类迄今为止制造的最精确的计时装置。图片来源 视觉中国

编译 顾海波

爱因斯坦的广义相对论中，有一个闻名遐迩却又不可思议的见解：强引力场或者难以置信的高速可以扭曲时间，这种效应被称为时间膨胀。例如，宇宙飞船上的时钟可能比地球上的时钟走得稍快或稍慢，这取决于它们的速度和地球的引力对时间的扭曲效应如何。

现在，在美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学博尔德分校联合运作的JILA项目中，科学家们取得了一项重大突破：他们用世界上最精确的时钟，在有史以来最小的尺度内，测量到了时间膨胀。该研究小组发现，由于地球引力的影响，相距仅1毫米的时钟，显示的时间有轻微不同。

根据2月16日发表在美国《自然》杂志上的一项研究，这项新实验为研发精度比现有水平提升50倍的时钟铺平了道路，也为揭示宇宙的基本奥秘提供了线索。

“这意味着时钟的精度更好了。”JILA物理学家、该研究的合著者叶军对北美青年文化平台VICE说。“时间和空间是相互关联的。相对论告诉我们，时间就是空间，空间就是时间，而时间是相对的。没有绝对的时间概念。”

几年来，美籍华裔科学家叶军和在JILA的同事们通过设计更精确的原子钟，把计时和广义相对论研究的前沿不断向前推进。在这些时钟中，钟摆的角色是由原子中电子的频率变化来扮演的，这些电子被精心排列在旨在控制其混乱的能量和运动的晶格中。这些创新使原子钟成为迄今为止最精确的计时工具，每150亿年的误差只有1秒钟。

2010年，JILA的科学家们用这些时钟，测量到了海拔高度相差33厘米的两点间的时间膨胀，这在当时是个很大的进步。对他们的时钟进行了10年的改进之后，科学家们成功跟踪到了极冷锶原子样本内的频率变化，这使他们能够捕捉到毫米级的时间膨胀效应。

更重要的是，该团队成功地让这些原子以一致的步调“舞动”了37秒，创造了“量子相干”持续时长的新纪录。

“第一天，当我们开始看到这么长的相干时间时，简直不敢相信。”叶军回忆说。“量子相干听起来非常微观……但37秒，是半分多钟，这是一个非常宏观的时间尺度，一个‘人类’的时间尺度，这真是不可思议……这就是我们正在谈论的这场量子革命的本质。”

把微观的量子现象带入宏观的世界中，可以帮助科学家探索科学界重大的、悬而未决的问题。例如，几十年来，研究人员一直在努力使广义相对论与量子力学相一致，前者控制着由恒星和星系组成的宇宙，后者为原子内部的微小领域设定了规则。随着原子钟变得越来越精确，科学家们将能够真正看到穿越时空曲率的原子波，而这正是经典世界和量子世界的冲突之处。

“这是我们从未探索过的物理学领域。”叶军说，如果这些时钟的精度能再提高20倍，“我们将进入一个非常、非常有趣的领域”，将产生“当量子力学最终与广义相对论相遇时的新见解”。

越来越精确的时钟，用途数不胜数：从预测火山爆发到测量海平面上升，再到太空探索。

“我们经常开玩笑说：‘我们健康地活了100年，在这期间，你的头比脚老大约半微秒。’”叶军说。“这在生物学上是很微小的，谁会在乎一生中的半微秒呢？但在测量地球如何变化，以及驾驶飞船登陆火星或其他遥远的行星方面，就不一样了。这一切都是基于这种精确的信息时间。”

来源：中国青年报客户端