连接量子力学和广义相对论时间过得越慢

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

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。

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

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。一项新的物理学研究再次表明，爱因斯坦的广义相对论是正确的，即使对于“无毛”黑洞也是如此。

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mdash，mdash，光晶格钟

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

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

由于一毫米范围内的红移很小，大约只有0.0000000000000000001，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9.8times，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

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。

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和科罗拉多大学联合建立的实验天体物理实验室研究院。

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middot，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:

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