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你知道吗？
在海拔越低的地方 ， 时间过得越慢 ， 而你就越\"年轻\" 。
图片来源：NIST 翻译：中国测试
而这个知识点 ， 早在100年前就被爱因斯坦发现了！
1915年左右 ， 阿尔伯特·爱因斯坦提出了广义相对论 ， 也称为时间膨胀效应 ， 解释了诸如对时间的引力效应等大尺度效应 ， 具有非常重要的实际应用 ， 如GPS卫星测量校正 。
尽管这个理论已有一个多世纪的历史 ， 但世界各地的物理学家们仍然对它疯狂着迷 。
来自美国科罗拉多大学JILA实验室叶军团队 ， 在迄今为止最小尺度——1mm——上验证了时间快慢的不一致 ， 并将研究成果发表于2月17日出刊的《自然》杂志上 。
叶军团队利用一种方法使原子钟比当今最好的设计精确50倍 ， 测量出当两个微小的原子钟在高差仅1mm时 ， 因为引力不同而以不同的速度运转 ， 时间相差大约一千亿亿分之一 ， 也就是3000亿年只相差1s ， 与广义相对论预言一致 。 而这种因为引力造成的时间差叫做引力红移 。
【广义相对论的反复论证】
爱因斯坦在100年前已经预测有“引力红移”现象 。 根据广义相对论 ， 在引力场中不同高度的原子钟以不同的速度转动 。当在更强的引力下 ， 更靠近地球的地方观测时 ， 原子辐射的频率会降低——向电磁波谱的红端移动 。也就是说 ， 时钟在海拔较低的地方走得较慢 。一百年来 ， 科学家们进行了各种试验对爱因斯坦相对论进行了论证和研究：
1) 1976年 ， 科学家们曾利用火箭将一个原子钟送到距离地面10000km的高空 ， 共用了115min 。 他们发现 ， 火箭上的原子钟所测量出的时间比海平面上的原子钟所测量的时间要长 ， 大约每73年就会快1s 。
2) 2010年 ， 美国科学家团队利用一个其中包含三束激光的激光陷阱来射击铯原子波作为超高速时钟 ， 将两个独立的原子钟放置在高差为33cm的位置 ， 通过观测原子波能量的振荡差异来计时 ， 将测量精度又提高了10000倍 。
【像煎饼一样的光晶格钟】
叶军团队的突破得益于一种更精确的时钟——光晶格钟（Optical Lattice Clock） 。 研究人员将含有大约10万个超冷锶原子的实验样品装载在一个光学晶格中 ， 测量了其顶部和底部的频率偏移 。
晶格可以被想象成由激光束产生的一叠大、平、薄的煎饼 。 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“煎饼”里 。
这种设计减少了由光和原子散射引起的晶格畸变 ， 使样品均匀化 ， 并扩展了原子的物质波 ， 其原子能量状态被很好地控制 ， 它们都在两个能级之间精确地同步跳动37s ， 这一记录被称为量子相干 。
对新结果至关重要的是叶军团队的成像创新 ， 它提供了整个样本的频率分布的微观图 。 这样一来 ， 他们就可以比较原子云两个区域 ， 不再需要使用两个单独时钟 。
通过原子云测量到的红移极小 ， 在0.000000000000001的范围内 。 （虽然太小了 ， 人类无法直接感知 ， 但这些差异加在一起足以对宇宙以及GPS等技术产生重大影响 。 ) 研究团队将大约30min的平均数据经过90h的数据处理后 ， 测量精度达到9.8(2.3)×10-20mm-1 ， 比以往任何时钟比较都要高50倍 ， 与广义相对论符合得很好 。
“最重要和最令人兴奋的结果是 ， 我们有可能将量子物理和重力联系起来 ， 例如 ， 当粒子分布在弯曲时空的不同位置时 ， 探测复杂的物理 。 ”
——叶军
【量子力学&广义相对论】
在这项实验中 ， 叶军团队找到了将时钟的精确度提升50倍的方法 。 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 ， 就意味着定位精度越高 。
叶军表示 ， 这是一场全新的比赛 ， 一种可以在弯曲时空中探索量子力学的新体制 。
当红移的测量精度再提高10倍时 ， 就能看到穿越时空曲率的原子的整个物质波 ， 也就意味着可以开始探索量子尺度下的引力效应 。
能够在如此微小的尺度上测量时差 ， 便可以发现重力会破坏量子相干性 ， 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 。
【原子钟的应用】
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