Nature封面论文在毫米尺度验证广义相对论
作者：互联网
Nature封面论文在毫米尺度验证广义相对论
在地球上，楼层越低，时间过得越慢。
这可不是玄学，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 | 图源：nature
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。叶军本科毕业于上海交通大学应用物理系。
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，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，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，但是这种「移动」非常小，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 | 图源：nature
虽然这种差距身体无法感知，但却与生活息息相关，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，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？使用了一种更精确的时钟——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，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，将锶原子束缚在一个个煎饼形状的空间里。
光晶格钟原理 | 图源：nist
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，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。
对提高精度至关重要的，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，可以比较一个原子团的两个区域，不是使用两个独立原子钟的传统方法。
将锶原子冷却后，再用一束激光激发，将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，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 | 图源：nist
由于一毫米范围内的红移很小，大约只有0.0000000000000000001（别数了，总共19个0），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，测量结果是9.8(2.3)×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
本项研究的通讯作者叶军表示，此次突破可以把时钟的精确度提升50倍。
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，定位的精度可以越高。
这对于物理学更是具有重大意义。
最让人兴奋的是，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，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。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：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。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-022-00379-x
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220216112213.htm
[3]https://www.quantamagazine.org/an-atomic-clock-promises-link-between-quantum-world-and-gravity-20211025/
[4]https://www.nist.gov/news-events/news/2022/02/jila-atomic-clocks-measure-einsteins-general-relativity-millimeter-scale
[5]https://news.berkeley.edu/2010/02/17/gravitational_redshift/
https://sghexport.shobserver.com/html/baijiahao/2022/02/17/662415.html
标签：封面,引力,Nature,相对论,原子,原子钟,https,叶军 来源： https://www.cnblogs.com/wujianming-110117/p/15907096.html