重磅！Nature封面海拔越低，时间越慢？毫米级广义相对论得证

　　【导语】
　　「天上一日地下一年，有科学依据了。」
　　爱因斯坦的广义相对论指出，引力越大的地方，时间变的越慢。
　　过去几十年，不断有物理学家对这个理论进行探索，并给出了证明，但是实验的空间尺度都很大。
　　而今天Nature封面文章证明了，即使高度差只有1个毫米，时间差效应也是存在的，这是目前世界上证明广义相对论的最小尺度 。
　　广义相对论得证：一毫米两端的时间也不一样
　　根据广义相对论论，地球或任何大质量的物体都在以一种减慢时间的方式扭曲时空 。
　　如果你有个双胞胎兄弟，出生时你生活在平原，而他去了珠穆朗玛峰，那么你兄弟就会比你老的更快，因为平原地区的时间过的更慢，而这种差异要通过山脚山顶各放一个原子钟来测量。
　　而这次nature发布的论文，来自科罗拉多大学和美国国家标准与技术研究院的联合实验室，叶军研究组，他们测量了一个毫米高的原子云顶部和底部之间时间流的差异。
　　这项工作另一个重要意义是，它处在广义相对论和量子力学的交叉点上，而这两个理论是出了名的不兼容，这个新时钟基本上是一个量子系统ー一个原子钟ーー并将它与引力缠绕在一起。
　　在实验中，叶军的团队使用了一个光学晶格时钟-一个由100,000个锶原子组成的云团 ，可以通过激光触发。如果激光的频率恰到好处，那么围绕每个原子运动的电子将被激发到一个更高能量的轨道上。
　　因为只有极小范围的激光频率促使电子移动，所以测量这个频率可以提供极其精确的时间。它就像一个量子老式时钟，滴答声来自激光的振荡，而不是钟摆的摆动 。
　　叶军实验室的原子钟以蓝色激光束为特色，激发了圆窗内锶原子云。
　　研究人员将他们的时钟分成两部分ーー他们看着相机上的云彩，然后在上下两部分周围画上两个想象中的盒子。然后，他们比较了上半部分和下半部分的滴答频率，发现云层顶部的原子所经历的时间比底部的原子所经历的时间短0.00000000000000001% 。
　　因为激发频率是一样的，所以时间没有偏移的话应该是一样的，但现在出现了差异，说明底部确实慢了。
　　他们测量位移的方法很特殊，比较同一云团的两个部分ーー使他们能够抵消许多两个部分共有的测量噪声 。
　　这就像在波涛汹涌的海面上测量一艘帆船。即使在它不可预测地上下摇晃时，龙骨和桅杆之间的距离也将始终保持不变。尽管由原子云构成的时钟会因为许多因素而漂移ーー电场、磁场、激光本身、环境热量ーー但是云层顶部和底部的频率差别是一样的。
　　测量这种差异揭示了重力对时间的影响美，国国家标准与技术研究所的原子钟专家安德鲁 · 勒德洛(Andrew Ludlow)说，＂这件事非同小可。＂
　　量子力学和相对论有结合点了
　　相对论描述了一个时空，在这个时空中，物体具有明确的属性，并且可以预测地从一个位置移动到另一个位置。相比之下，在量子理论中，一个物体可以同时处于多种性质的＂叠加态＂，或者它可以突然跳到一个特定的位置。
　　这两种描述很好地匹配了他们各自的应用领域，但是放在一起，似乎就矛盾了。那么，当量子力学和相对论同时描述一种现象时，该怎么解释？
　　以一个大质量物体同时处于两个可能位置的叠加态为例：
　　广义相对论说任何有质量的物体都应该弯曲时空结构。但是如果这个物体处于叠加状态呢？它周围的时空也是叠加的吗？
　　为了研究这些问题，物理学家总是在寻找引力和量子力学并存的系统，而时钟自然而然地跨越了量子力学和相对论之间的界限。它们告诉时间，这是一个内在的相对论问题，但同时本质上也是量子的: 电子从一个能级跃迁到另一个能级，是通过两个能级的叠加态。
　　如果叶军的研究小组能够将他们的生物钟的灵敏度再提高10倍左右，他们就可以开始寻找原子行为中的引力效应。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，是处于怎样的物理状态。
　　叶军简介：本科毕业于上海交通大学应用物理系；博士毕业于科罗拉多大学，师从诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔。
　　也许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（看起来都是有确定状态）。
　　参考链接：
　　https://www.quantamagazine.org/an-atomic-clock-promises-link-between-quantum-world-and-gravity-20211025/