一毫米也存在时间差!中国科学家首次在毫米尺度验证广义相对论登上自然杂志封面
近日,《自然》杂志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,该研究来自中国科学家叶军所率领的科研团队,这是迄今为止在最小尺度上验证广义相对论的实验。
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,也就是大约3000亿年只相差1秒,与广义相对论预言一致。
广义相对论指出,引力场越强,时间就越慢,从而改变电磁波的频率。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,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,发现它比海平面时钟快,大约73年快一秒。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,而二者之间高度只相差一毫米。
叶军团队能做到如此精确的原因在于使用了更加精确的时钟,即光晶格钟(optical lattice clock)。这套系统先用6束激光将10万个锶原子逐步冷却,最后用红外激光将锶原子维持在超冷状态。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,还有新开发的成像方法,这种方法能提供整个样本的频率分布的微观图。他们就可以比较一个原子团的两个区域,而不是使用两个独立原子钟的传统方法。
由于一毫米范围内的红移非常小,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,他们的测量结果在误差范围内,与广义相对论符合得很好。
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,也就意味着定位的精度可以越高。
该研究有望将量子力学和引力联系在一起。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,是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。也就意味着可以开始探索量子尺度下的引力效应。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。
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