中國科學家首次在毫米尺度驗證廣義相對論 登上《自然》雜誌封面

近日，《自然》雜誌封面的一篇文章證明了即使高度差只有一毫米，時間流逝的速度也不一樣，該研究來自中國科學家葉軍所率領的科研團隊，這是迄今為止在最小尺度上驗證廣義相對論的實驗。

他率團隊開發出世界上最精確的原子鐘，得出在一毫米高度差上，時間相差大約一千億億分之一，也就是大約3000億年只相差1秒，與廣義相對論預言一致。

廣義相對論指出，引力場越強，時間就越慢，從而改變電磁波的頻率。如果一束藍光射向天空，在引力的作用下，就會向紅色端移動，稱之為“引力紅移”。雖然愛因斯坦早在1915年就預測了這種現象，直到1976年才有了第一次精確的實驗驗證，當時科學家用火箭將原子鐘送到1萬公里的高空，發現它比海平面時鐘快，大約73年快一秒。幾乎在12年前的同一天，來自加州大學伯克利分校的團隊測量了高度差33釐米的兩個原子鐘的時間差。現在葉軍團隊可以做到測量一個原子雲內，原子氣體上下兩端的時間差，而二者之間高度只相差一毫米。

葉軍團隊能做到如此精確的原因在於使用了更加精確的時鐘，即光晶格鍾（optical lattice clock）。這套系統先用6束鐳射將10萬個鍶原子逐步冷卻，最後用紅外鐳射將鍶原子維持在超冷狀態。原子的能量狀態控制得非常好，創下了所謂的量子相干時間37秒的紀錄。對提高精度至關重要還有新開發的成像方法。這種方法能提供整個樣本的頻率分佈的微觀圖。他們就可以比較一個原子團的兩個區域，而不是使用兩個獨立原子鐘的傳統方法。

由於一毫米範圍內的紅移非常小，為了能提高精度，研究團隊用大約30分鐘的平均資料解決此問題。經過90小時的資料分析，他們的測量結果是9.8(2.3)×10-20mm-1，在誤差範圍內，與廣義相對論符合得很好。

該研究有望將量子力學和引力聯絡在一起。精確的原子鐘將開啟在彎曲時空中探索量子力學的可能，比如分佈在彎曲時空中不同位置的粒子，是處於怎樣的複雜物理狀態。如果能夠將目前的測量效果再提升10倍，研究團隊就能看到穿過時空曲率時，原子的整個物質波。也就意味著可以開始探索量子尺度下的引力效應。此外原子鐘還可以被應用在顯微鏡上，來觀察量子力學和引力之間的微妙聯絡。同時也能被應用在天文望遠鏡上，來更加精確地觀測宇宙。

來源：央視新聞

量子尺度下的引力效應。此外原子鐘還可以被應用在顯微鏡上，來觀察量子力學和引力之間的微妙聯絡。同時也能被應用在天文望遠鏡上，來更加精確地觀測宇宙。

來源：央視新聞