JILA研究人員測量了這個微小的鍶原子云中的時間膨脹及原子鐘的運轉速度如何隨海拔變化。圖片來源：雅各布森/美國國家標準與技術研究院

美國天體物理聯合實驗室（JILA）的物理學家對愛因斯坦廣義相對論的時間膨脹效應進行了有史以來最小尺度的測量，結果表明，兩個相隔僅一毫米的微小原子鐘，確實以不同的速度運轉。16日發表在《自然》雜志上的論文描述了這一實驗，并提出了如何使原子鐘比當今最好的設計精確50倍的方法，或為揭示相對論和引力如何與量子力學相互作用提供了途徑。

愛因斯坦廣義相對論解釋了宇宙的大尺度結構，如時間上的引力效應，具有修正GPS衛星測量等重要的實際應用。盡管這個理論已有一個多世紀的歷史，物理學家們仍然對它著迷。美國國家標準與技術研究院科學家已經使用原子鐘作為傳感器，越來越精確地測量相對論，這可能有助于最終解釋相對論效應如何與亞原子世界的“規則手冊”——量子力學相互作用。

根據廣義相對論，引力場中不同高度的原子鐘以不同的速度運轉。當在更靠近地球的更強引力下，原子輻射的頻率會降低，向電磁波譜的紅色端移動。也就是說，時鐘在海拔較低的地方走得更慢，這種效應已被反復證明。

JILA研究人員測量了單個樣品的頂部和底部之間的頻率偏移，這個樣品含有大約10萬個超冷鍶原子，裝載在一個光學晶格中，這個實驗室的設置類似于該團隊早期的原子鐘。在這種情況下，晶格可被想象成由激光束產生的一疊煎餅，異常大、平且薄，是由比通常使用的較弱的光束形成的。這種設計減少了通常由光和原子散射引起的晶格畸變，使樣品均勻化，并擴展了原子的物質波，其形狀表明了在特定位置找到原子的概率。原子的能量狀態被控制得非常好，它們都在兩個能級之間精確地同步運行了37秒，創下了所謂的量子相干性的紀錄。

通過原子云測量到的紅移很小，在0.0000000000000000001的范圍內，與預測一致。雖然這些差異太小以致人類無法直接感知，但這些差異累積起來對宇宙以及GPS等技術產生了重大影響。在這類實驗中，研究團隊在大約30分鐘的平均數據中迅速解決了這一差異。經過90小時的數據處理后，他們的測量精度比以前的任何時鐘都高出50倍。

研究人員表示，這是一種可以在彎曲時空中探索量子力學的新機制。而更精確的時鐘除了用于計時和導航之外，還有其他潛在用途：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最深處的角落，如尋找神秘的暗物質；原子鐘還將應用于測量科學，改善我們對地球形狀的理解。

（原載于《科技日報》 (2022-02-18 04版)

來源：科技日報 張佳欣