中国科学家首次在毫米尺度验证广义相对论 登上《自然》杂志封面
近日 ， 《自然》杂志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 ， 该研究来自中国科学家叶军所率领的科研团队 ， 这是迄今为止在最小尺度上验证广义相对论的实验 。
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 。
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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” 。 虽然爱因斯坦早在1915年就预测了这种现象 ， 直到1976年才有了第一次精确的实验验证 ， 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 。 几乎在12年前的同一天 ， 来自加州大学伯克利分校的团队测量了高度差33厘米的两个原子钟的时间差 。 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 。
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叶军团队能做到如此精确的原因在于使用了更加精确的时钟 ， 即光晶格钟（optical lattice clock） 。 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 。 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 。 对提高精度至关重要还有新开发的成像方法 。 这种方法能提供整个样本的频率分布的微观图 。 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 。
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由于一毫米范围内的红移非常小 ， 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)?-20mm-1 ， 在误差范围内 ， 与广义相对论符合得很好 。
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该研究有望将量子力学和引力联系在一起 。 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 。 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 。 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 。
来源：央视新闻
量子尺度下的引力效应 。 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 。
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