交汇点讯 即便是高度差只有一毫米，时间流逝的速度也不一样。中国科学院外籍院士、美国科罗拉多大学JILA实验室的叶军带领团队首次在毫米尺度验证爱因斯坦广义相对论，相关成果登上《自然》封面。 叶军团队开发出的锶原子钟是目前世界上最精确的原子钟，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，这一结果与100年前爱因斯坦的广义相对论预言一致。颇为高冷的科学研究却引发了网友的兴趣，＂那住一楼是不是能多睡会？＂＂我的头是不是比脚先老呢？＂记者就此采访了相关专家，这项看似违反本能认知的科学研究，不仅跟每个人息息相关，还有将助力我们放眼宇宙最深处。 只差一毫米，时间流逝速度也会不同 爱因斯坦广义相对论曾预言时间膨胀效应——引力越大，时间越慢。＂大质量物体存在更强的引力，因此越靠近地球，引力更强。＂ 南京航空航天大学理学院李晋斌教授说，爱因斯坦的广义相对论重新定义了引力，引力被看成是时空弯曲的几何效应。大质量物体引起周围时空弯曲，时空扭曲越大，时间流逝越慢，＂通俗理解即地球上的楼层越低，时间过得越慢，只是这个楼层之间的时间差太小，人们终其一生也不可能感受到。＂ 对弯曲时空下的理解往往有悖于我们所谓的常识，＂例如我们从初中几何知道两点间直线最短，但这个结论只在在平直空间中成立。对人类而言，地球表面可以看作平直空间， 所以北京、南京、上海甚至地球那端的纽约时间流逝都是均匀一致的。但在弯曲时空里就完全不同了。＂李晋斌告诉记者，在弯曲时空，两点之间的最短路径不是直线段，而是测地线——一般来说是曲线，＂引力大的地方时间流逝慢。＂ 这种＂天上一日地上一年＂不光是神话中有，其实在科幻电影中有所体现。在《星际穿越》中，飞船抵达靠近黑洞的米勒行星，主角登录这个星球，不幸遇到事故留了几个小时，当他们回到飞船后时间却已过了23年，留守的同伴都变成老人，这个情节的理论基础就是广义相对论的时间膨胀，因为这个超大黑洞质量是太阳质量的1亿倍。超强的引力导致时间变慢，时空弯曲程度是非常高的，从电影中就可以看得出来，飞船上观看主角一行人，他们就像被放慢动作的电影一样，等他们眨眼睛就得10多个小时。 虽然这种时间差我们身体无法感知，但却与我们生活息息相关。比如出门用到的 GPS 或北斗导航，都会涉及到时间同步技术。只有通过在卫星上配置高精度原子钟，才能实现卫星直接播发出高精度导航定位信号。 比如北斗三号的星载氢原子钟，就通过＂修正＂天与地之间的时间差，实现了每三百万年差1秒的精度。＂由于北斗卫星相对地表高速运动，每天会比地面慢7微秒；同时北斗卫星距离地球这个大质量物体较远，因此感受的时空弯曲较小，每天比地面时间又快了45微秒，综合这两个效应，北斗卫星比地面快38微秒。＂李晋斌说，可不要小看这么＂微不足道＂的时间差，＂百万年只差1秒，即便如此次小的时间差也必须矫正，因为这么小的时间差，转换到地面导航，误差就是10公里。＂ 最精确的原子光钟如何制造？ 如何获得更加精准的时间？叶军团队开发出的锶原子钟3000亿年才差一秒，这其中涉及子物理学、电学、结构力学等众多学科，一切要从原子钟的原理说起。 不管是哪种计时仪器，本质上都是利用周期原理来计时。例如：地球绕太阳公转周期计时是1年，月球绕地球公转周期计时是1月，地球绕地轴自周期计时是1天。原子钟的原理在于，原子的核外电子处于不同的能级，当电子吸收或释放能量时，就会发生跃迁，进而释放电磁波，对于电子跃迁时辐射电磁波的频率，原子钟可把其作为一种节拍器来计时，更高的电磁波频率也意味着更高的计时精度。 为何叶军团队能做到如此精确？那是因为他们使用了一种更精确的时钟——光晶格钟（optical lattice clock）。李晋斌科普道，这套系统先用6束激光将10万个锶原子逐步冷却，利用激光的相干性，将锶原子束缚在一个个圆盘里并堆摞在一起，高度只有1毫米。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，使得原子的能量状态得到了很好的控制。 ＂在这样的样本下，叶军采用引力红移的测量法，进一步探测摞在一起圆盘(锶原子构成)的顶部和底部的频率偏移。＂ 李晋斌科普道，在更强的引力下，更靠近地球的地方观测时，原子振动的频率会降低——向电磁波谱的红端移动，这种效应被称为引力红移，利用这种方法，叶军展示了两个相隔仅一毫米（也就是差不多一根铅笔尖宽度）的微型原子钟会以不同速率运转，实验测得的整个原子云的引力红移非常小，大约在0.0000000000000000001(别数了，总共19个0)的范围内。团队绘制了时间膨胀的线性斜率随垂直距离的变化，结果正如广义相对论所预测的。 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，是处于怎样的复杂物理状态。而且，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。 时空结合，更精准的时钟可以助我们探测宇宙 由广义相对论可知，时间和空间是结合在一起的。靠近质量大的物体的地方时间会变慢，因为空间会被扭曲，所以当时间可以被准确测量时，就能用它来测量周围的空间变化，原子钟可通过＂相对论测地学＂，进一步测量地球形状并改善模型，比如质量变化、地下水位变化、冰川融化、海平面上升等，这些都是原子钟的测量应用。 深空探测同样离不开远距离定位导航，这对原子钟的精度指标提出了更高要求。＂叶军团队的这项成果，实现了广义相对论实验的更高精度测量。如果未来该团队的原子钟能够用于导航定位系统中，将会实现更高精度定位，这对我国北斗系统具有重要的战略意义，也将为科学研究提供更广阔的发展前景。＂ 中国科学院紫金山天文台副研究员邓雪梅认为，科学家们有望利用原子钟来进行更高精度的空间引力实验。 事实上，叶军认为，原子钟可以作为望远镜来观察宇宙的最深处。他和团队正运用原子钟寻找神秘的暗物质。＂现在叶军找到50亿年只误差一秒的原子钟，这还只是地球的年龄，如果能找到像宇宙年龄那么长还能准确的钟，就能帮助我们更好地理解世界起源。＂李晋斌表示。 引力支配着宏观世界，它维系着人类地球、太阳系天体、系外行星乃至整个宇宙的运转。引力是如何相互作用的？它起源于哪里？长久以来，科学家们探索的脚步从未停止。据了解，紫金山天文台团队提出了一项名为＂太一＂的空间科学任务，其中一个主要科学目标是希望通过在地球卫星上搭载高精度原子钟来检验广义相对论。此外，紫金山天文台团队还试图在＂太阳系边际探测＂上搭载高精度原子钟，将对广义相对论实验检验的场所拓展到深空乃至太阳系边际，期望从更深层面上探测引力本源。 ＂不同于地面测量，选择空间任务来探索引力相互作用，可以让光信号穿越大范围引力场，从而使得微弱的引力信号变得更加可控并易于探测。＂邓雪梅介绍，＂太一＂空间科学任务将主要通过发射一个绕地以及绕月的探测器来完成。 ＂太一＂，源自郭店楚简《太一生水》。＂《太一生水》以我国古代特有的朴素哲学思想诠释了古人对宇宙万物起源的认识，其中‘太一’指的就是宇宙万物的本源、本体。＂邓雪梅说，提出＂太一＂空间科学任务，就是希望通过相对论基本天文学实验，为引力相互作用及其起源等基本问题提供答案，＂我们渴望寻求引力理论的答案，希望人类揭开这一谜底的时间不会太久远。＂ 新华日报·交汇点记者杨频萍蔡姝雯