美國科羅拉多大學天體物理聯合實驗室(JILA)物理學家、上海交通大學校友葉軍帶領團隊，首次在毫米尺度驗證愛因斯坦廣義相對論。

根據廣義相對論，在引力場中不同高度的原子鐘以不同的速度轉動。當在更強的引力下，更靠近地球的地方觀測時，原子振動的頻率會降低——向電磁波譜的紅端移動，這種效應被稱為引力紅移。也就是說，時鐘在海拔較低的地方走得更慢。

葉軍帶領的研究團隊以有史以來最小的尺度驗證了這一時間膨脹效應，表明兩個微小的原子鐘，相隔僅一毫米，也會以不同速度運轉。相關成果發表在2月17日的《自然》(Nature)期刊上，并榮登封面。

圖片來自《自然》(Nature)

團隊提出了如何使原子鐘比之前精確50倍的方法，并提供了一條可能揭示相對論和引力如何與量子力學相互作用的途徑，而量子力學是目前物理學研究中的一個主要難題。

“最重要和最令人激動的成果是，我們有可能將量子物理和引力聯系起來，例如，當粒子分布在彎曲時空的不同位置時來探測復雜的物理學。”葉軍說，“在計時方面，成果還表明，使如今的時鐘再精確50倍，沒有任何障礙——這是一個奇妙的消息。”

愛因斯坦1915年提出的廣義相對論揭示了諸如對時間的引力效應，并具有重要的實際應用，如糾正GPS衛星測量。盡管這個理論已存在一個多世紀，物理學家仍對它著迷。多年來，美國國家標準與技術研究所(NIST)的科學家已利用原子鐘越來越精確地測量相對論。例如，NIST物理學家2010年通過比較2個相距33厘米的原子鐘來驗證廣義相對論。

JILA實驗室則由美國國家標準與技術研究所(NIST)和科羅拉多大學博爾德分校聯合運營。

在本次實驗中，葉軍團隊主要利用光學晶格時鐘進行研究。團隊先用6束激光將10萬個鍶原子逐步冷卻，最后用紅外激光將鍶原子維持在超冷狀態，并裝載在一個光學晶格中。晶格可以想象成由激光束產生的一疊煎餅，這種設計減少了由光和原子散射引起的晶格扭曲，使樣品均勻化，并擴展了原子的物質波。原子的能量狀態控制得很好，創下了量子相干時間37秒的紀錄。

研究人員在這一小片鍶原子云中測量了時間膨脹效應，圖片來自NIST

提升精度至關重要的，是該團隊創新的新成像方法。這種方法能提供整個樣本頻率分布的微觀圖，從而能夠比較一個原子團的兩個區域，而不是沿用兩個獨立原子鐘的傳統方法。

通過原子團測量到的紅移很小，在0.000000000000001的范圍內，也就是一千億億分之一。雖然這一微小的尺度，人類無法直接感知，但這些差異加在一起對宇宙以及GPS等技術產生了重大影響。研究團隊利用約30分鐘的平均數據解決這一問題。經過90小時的數據處理后，測量精度比以往任何時鐘都要高出50倍。

相隔1毫米的原子鐘時間差一千億億分之一，圖片來自論文

“這是一場全新的比賽，一種可以在彎曲時空中探索量子力學的新方法，”葉軍表示，“如果我們能測量比這更精確10倍的引力紅移，我們就能看到穿越時空曲率的原子整個物質波。例如，在如此微小的尺度上測量時差，可以使我們發現引力會破壞量子相干性，這可能是我們的宏觀世界（依舊）是經典物理學世界的根本原因。”

更精準的時鐘除了用于計時和導航外，還有更多用途。葉軍認為，原子鐘既可以作為顯微鏡來觀察量子力學和引力之間的微小聯系，也可以作為望遠鏡來觀察宇宙的最深處。他正運用原子鐘尋找神秘的暗物質，科學家相信暗物質構成了宇宙中的大部分物質。原子鐘還可通過“相對論測地學”(relativistic geodesy)，進一步測量地球形狀并改善模型。