驗(yàn)證時(shí)鐘在不同高度差下變快（圖片來自Nature）

該研究來自美國科羅拉多大學(xué)JILA實(shí)驗(yàn)室葉軍團(tuán)隊(duì)。

他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出了世界上最精確的原子鐘，發(fā)現(xiàn)高度差一毫米，時(shí)間差約為十億分之一，大約3000億年只相差1秒，一致與廣義相對(duì)論的預(yù)測。

這種由不同引力引起的時(shí)間差稱為引力紅移。雖然已經(jīng)驗(yàn)證了無數(shù)次，但如此高精度的檢測還是第一次。

重力改變光頻率

廣義相對(duì)論指出，引力場越強(qiáng)，時(shí)間越慢，從而改變電磁波的頻率。

如果一束藍(lán)光射入天空，它會(huì)在重力的影響下向紅端移動(dòng)，這被稱為“引力紅移”。

盡管愛因斯坦早在1915年就預(yù)言了這一現(xiàn)象，但這種“運(yùn)動(dòng)”實(shí)在太小，直到1976年才首次得到精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

當(dāng)時(shí)，科學(xué)家用火箭將原子鐘送到10000公里的高空，發(fā)現(xiàn)它比海平面的時(shí)鐘還快，大約73年快了一秒。

驗(yàn)證時(shí)鐘在不同高度差下變快（圖片來自Nature）

雖然這種差距無法被身體感知，但它與我們的生活密切相關(guān)，因?yàn)镚PS必須糾正這種極小的時(shí)間差才能準(zhǔn)確定位。

幾乎在12 年前的同一天，加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)團(tuán)隊(duì)測量了兩個(gè)高度相距33 厘米的原子鐘之間的時(shí)間差。

現(xiàn)在葉軍的團(tuán)隊(duì)可以測量原子云中原子氣體上端和下端的時(shí)間差，而且兩者的高度差只有一毫米！

超精密光學(xué)晶格鐘

葉軍團(tuán)隊(duì)為何能做到如此精準(zhǔn)？那是因?yàn)樗麄兪褂昧烁_的時(shí)鐘，—— 光學(xué)晶格時(shí)鐘。

該系統(tǒng)首先使用6束激光逐漸冷卻10萬個(gè)鍶原子，最后使用紅外激光將鍶原子維持在超冷狀態(tài)。

由于激光的相干性，能量較小的區(qū)域會(huì)周期性地出現(xiàn)在空間中，從而將鍶原子束縛成薄餅狀的空間。

光學(xué)晶格鐘原理（圖片來自NIST）

這種設(shè)計(jì)減少了光和原子散射引起的晶格畸變，使樣品均勻化，并擴(kuò)展了原子的物質(zhì)波。原子的能量狀態(tài)受到如此良好的控制，以至于達(dá)到了所謂的37 秒的量子相干記錄。

提高準(zhǔn)確性的關(guān)鍵是葉軍團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新成像方法。該方法提供了整個(gè)樣本的頻率分布的微觀圖像。

通過這種方式，他們可以比較原子簇的兩個(gè)區(qū)域，而不是使用兩個(gè)獨(dú)立原子鐘的傳統(tǒng)方法。

鍶原子被冷卻，然后用激光激發(fā)，將其外層電子激發(fā)到更高的軌道。

由于只有很小范圍的激光頻率可以激發(fā)電子，因此只需將激光調(diào)整到激發(fā)電子的精確頻率并進(jìn)行測量，就可以極其準(zhǔn)確地測量時(shí)間。

激光激發(fā)鍶原子的測量頻率（圖片來自NIST）

由于一毫米范圍內(nèi)的紅移很小，大約只有0.0000000000000000001個(gè)（不算，總共有19個(gè)零），為了提高精度，研究團(tuán)隊(duì)用了大約30分鐘的平均數(shù)據(jù)來解決這個(gè)問題問題。

經(jīng)過90小時(shí)的數(shù)據(jù)分析，他們的測量結(jié)果為9.8(2.3) x 10-20mm-1，在誤差范圍內(nèi)，與廣義相對(duì)論吻合良好。

連接量子力學(xué)和廣義相對(duì)論

這項(xiàng)研究的通訊作者葉軍表示，這一突破可以將時(shí)鐘的精度提高50倍。預(yù)計(jì)這將提高GPS 精度。

由于引力紅移，GPS原子鐘必須進(jìn)行時(shí)間校正。時(shí)間校正越準(zhǔn)確，定位精度就越高。

這對(duì)于物理學(xué)來說具有重要意義。

最令人興奮的是我們現(xiàn)在可以將量子力學(xué)和引力聯(lián)系起來！

葉軍表示，精確的原子鐘將為探索彎曲時(shí)空中的量子力學(xué)開辟可能性，例如分布在彎曲時(shí)空不同位置的粒子的復(fù)雜物理狀態(tài)。

而且，如果目前的測量效果能夠再提高10倍，研究團(tuán)隊(duì)就可以看到原子穿過時(shí)空曲率時(shí)的整個(gè)物質(zhì)波。

這意味著我們可以開始探索量子尺度的引力效應(yīng)。

加拿大滑鐵盧大學(xué)理論物理學(xué)家弗拉米尼婭·賈科米尼也表示，原子鐘是探索這一問題最有前途的系統(tǒng)之一。

葉軍說：或許正是這種微小的頻率差異，打破了量子相干性，讓宏觀時(shí)間變得經(jīng)典。

此外，原子鐘還可以用在顯微鏡中，觀察量子力學(xué)和引力之間的微妙聯(lián)系。同時(shí)也可用于天文望遠(yuǎn)鏡，更準(zhǔn)確地觀察宇宙。

事實(shí)上，葉軍教授也在利用原子鐘尋找神秘的暗物質(zhì)。

即使在大地測量學(xué)中，原子鐘也可以幫助研究人員更準(zhǔn)確地測量地球并改進(jìn)模型。

通訊作者葉軍

最后我們來認(rèn)識(shí)一下本研究的通訊作者——葉軍。

葉軍，美國科羅拉多大學(xué)物理系教授，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與科羅拉多大學(xué)聯(lián)合建立的天體物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室（JILA）研究所所長。

葉軍畢業(yè)于上海交通大學(xué)應(yīng)用物理系，獲學(xué)士、博士學(xué)位。他在科羅拉多大學(xué)獲得博士學(xué)位，師從諾貝爾獎(jiǎng)獲得者約翰·霍爾。

葉俊自1999年起在科羅拉多大學(xué)博爾德分校任教，并在2008年霍爾退休后接管了實(shí)驗(yàn)室的管理工作。

2011年，葉軍當(dāng)選美國國家科學(xué)院院士； 2017年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士； 2020年獲得“墨子量子獎(jiǎng)”，2021年獲得基礎(chǔ)物理科學(xué)突破獎(jiǎng)。

主要研究領(lǐng)域?yàn)槌湓臃肿?、精密測量、多體量子物理等。

2007年，葉軍和他的研究團(tuán)隊(duì)建成了世界上第一臺(tái)鍶原子光鐘，每7000萬年誤差僅為1秒。

此后，他不斷在這一領(lǐng)域創(chuàng)造新的記錄。

2017年，他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型原子鐘，將鍶原子封裝成微小的三維立方體。該密度比以往一維原子鐘設(shè)計(jì)中鍶原子的密度高出近1000倍，進(jìn)一步提高了原子鐘的測量精度。

2020年，葉軍團(tuán)隊(duì)三天內(nèi)就發(fā)表了Nature和Science論文。

在《Nature》雜志發(fā)表的《Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature》中，他的團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了量子簡并氣體。

另一篇發(fā)表在Science 上的論文，《Resonant collisional shielding of reactive molecules using electric fields》，利用量子力學(xué)理論來解釋分子之間的碰撞。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7