曉查 明敏 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

你知道嗎？在地球上，樓層越低，時(shí)間過(guò)得越慢。

這可不是玄學(xué)，而是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的時(shí)間膨脹效應(yīng)：引力越大，時(shí)間越慢。

△ 在不同高度差上驗(yàn)證時(shí)鐘變快（圖片來(lái)自Nature）

今天Nature封面的一篇文章證明了，即使高度差只有一毫米，時(shí)間流逝的速度也不一樣，這是迄今為止在最小尺度上驗(yàn)證廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)。

該研究來(lái)自于美國(guó)科羅拉多大學(xué)JILA實(shí)驗(yàn)室的葉軍團(tuán)隊(duì)。

他率團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出世界上最精確的原子鐘，得出在一毫米高度差上，時(shí)間相差大約一千億億分之一，也就是大約3000億年只相差1秒，與廣義相對(duì)論預(yù)言一致。

這種由于引力不同造成的時(shí)間差叫做引力紅移，雖然已經(jīng)得到無(wú)數(shù)次驗(yàn)證，但是如此高精度的檢測(cè)還是頭一次。

引力改變光頻率

廣義相對(duì)論指出，引力場(chǎng)越強(qiáng)，時(shí)間就越慢，從而改變電磁波的頻率。

如果一束藍(lán)光射向天空，在引力的作用下，就會(huì)向紅色端移動(dòng)，稱(chēng)之為“引力紅移”。

當(dāng)時(shí)科學(xué)家用火箭將原子鐘送到1萬(wàn)公里的高空，發(fā)現(xiàn)它比海平面時(shí)鐘快，大約73年快一秒。

△ 在不同高度差上驗(yàn)證時(shí)鐘變快（圖片來(lái)自Nature）

雖然這種差距身體無(wú)法感知，但卻與我們的生活息息相關(guān)，因?yàn)?strong>GPS必須要修正這個(gè)極小的時(shí)間差才能精確定位。

幾乎在12年前的同一天，來(lái)自UC伯克利的團(tuán)隊(duì)測(cè)量了高度差33厘米的兩個(gè)原子鐘的時(shí)間差。

現(xiàn)在葉軍團(tuán)隊(duì)可以做到測(cè)量一個(gè)原子云內(nèi)，原子氣體上下兩端的時(shí)間差，而二者之間高度只相差一毫米！

超精準(zhǔn)的光晶格鐘

為何葉軍團(tuán)隊(duì)能做到如此精確？那是因?yàn)樗麄兪褂昧艘环N更精確的時(shí)鐘——光晶格鐘（optical lattice clock）。

這套系統(tǒng)先用6束激光將10萬(wàn)個(gè)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(tài)。

由于激光的相干性，空間中會(huì)有周期出現(xiàn)能量較小的區(qū)域，從而將鍶原子束縛在一個(gè)個(gè)煎餅形狀的空間里。

△ 光晶格鐘原理（圖片來(lái)自NIST）

這種設(shè)計(jì)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(kuò)展了原子的物質(zhì)波。原子的能量狀態(tài)控制得非常好，創(chuàng)下了所謂的量子相干時(shí)間37秒的紀(jì)錄。

而對(duì)提高精度至關(guān)重要的，是葉軍團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新成像方法。這種方法能提供整個(gè)樣本的頻率分布的微觀圖。

這樣，他們就可以比較一個(gè)原子團(tuán)的兩個(gè)區(qū)域，而不是使用兩個(gè)獨(dú)立原子鐘的傳統(tǒng)方法。

將鍶原子冷卻后，然后再用一束激光來(lái)激發(fā)它，將它的外層電子激發(fā)到更高的軌道上。

由于只有極小范圍的激光頻率可以激發(fā)電子，因此只要調(diào)節(jié)激光到恰好激發(fā)的頻率并測(cè)量，就可以極其精確地測(cè)量時(shí)間。

△ 激光激發(fā)鍶原子測(cè)量頻率（圖片來(lái)自NIST）

由于一毫米范圍內(nèi)的紅移很小，大約只有0.0000000000000000001（別數(shù)了，總共19個(gè)0），為了能提高精度，研究團(tuán)隊(duì)用大約30分鐘的平均數(shù)據(jù)解決此問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)90小時(shí)的數(shù)據(jù)分析，他們的測(cè)量結(jié)果是9.8(2.3)×10-20mm-1，在誤差范圍內(nèi)，與廣義相對(duì)論符合得很好。

連接量子力學(xué)和廣義相對(duì)論

本項(xiàng)研究的通訊作者葉軍表示，此次突破可以把時(shí)鐘的精確度提升50倍。

這有望提高GPS的精確度。

由于引力紅移，必須對(duì)GPS的原子鐘做時(shí)間修正，時(shí)間修正越準(zhǔn)確，也就意味著定位的精度可以越高。

而這對(duì)于物理學(xué)更是具有重大意義。

最讓人興奮的是，我們現(xiàn)在可以將量子力學(xué)和引力聯(lián)系在一起了！

葉軍表示，精確的原子鐘將開(kāi)啟在彎曲時(shí)空中探索量子力學(xué)的可能，比如分布在彎曲時(shí)空中不同位置的粒子，是處于怎樣的復(fù)雜物理狀態(tài)。

而且，如果能夠?qū)⒛壳暗臏y(cè)量效果再提升10倍，研究團(tuán)隊(duì)就能看到穿過(guò)時(shí)空曲率時(shí)，原子的整個(gè)物質(zhì)波。

也就意味著可以開(kāi)始探索量子尺度下的引力效應(yīng)。

加拿大滑鐵盧大學(xué)理論物理學(xué)家Flaminia Giacomini也表示，原子鐘是探索這一問(wèn)題最有希望的系統(tǒng)之一。

葉軍表示：也許正是這種微小的頻率差打破了量子相干性，才讓宏觀時(shí)間變得經(jīng)典。

此外，原子鐘還可以被應(yīng)用在顯微鏡上，來(lái)觀察量子力學(xué)和引力之間的微妙聯(lián)系。同時(shí)也能被應(yīng)用在天文望遠(yuǎn)鏡上，來(lái)更加精確地觀測(cè)宇宙。

事實(shí)上，葉軍教授也正在用原子鐘尋找神秘的暗物質(zhì)。

甚至在大地測(cè)量學(xué)上，原子鐘也能幫助研究人員更進(jìn)一步精確測(cè)量地球、改進(jìn)模型。

通訊作者葉軍

最后，我們?cè)賮?lái)了解一下本項(xiàng)研究的通訊作者——葉軍。

葉軍是美國(guó)科羅拉多大學(xué)物理系教授、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和科羅拉多大學(xué)聯(lián)合建立的實(shí)驗(yàn)天體物理實(shí)驗(yàn)室（JILA）研究院。

葉軍本科畢業(yè)于上海交通大學(xué)應(yīng)用物理系；博士畢業(yè)于科羅拉多大學(xué)，師從諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主約翰·霍爾。

自1999年開(kāi)始，葉軍在科羅拉多大學(xué)博爾德分校任教，在2008年霍爾退休后接手了實(shí)驗(yàn)室的管理工作。

2011年，葉軍當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士；2017年，當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士；2020年獲得“墨子量子獎(jiǎng)”，2021年獲得科學(xué)突破獎(jiǎng)基礎(chǔ)物理學(xué)獎(jiǎng)。

其主要研究領(lǐng)域?yàn)槌湓?分子、精密測(cè)量、多體量子物理等。

2007年，葉軍及研究團(tuán)隊(duì)做出了世界上首臺(tái)“每7000萬(wàn)年僅誤差1秒”的鍶原子光鐘。

之后，他在這一領(lǐng)域不斷刷新紀(jì)錄。

2017年，其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的新型原子鐘，將鍶原子裝入微小的三維立方體中，密度較以前一維原子鐘設(shè)計(jì)中鍶原子的密度高出近1000倍，進(jìn)一步提升原子鐘測(cè)量精度。

2020年，葉軍團(tuán)隊(duì)曾在3天內(nèi)連發(fā)Nature、Science論文。

發(fā)表在Nature上的《Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature》中，其團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)量子簡(jiǎn)并氣體。

另一篇發(fā)表在Science的論文《Resonant collisional shielding of reactive molecules using electric fields》，則用量子力學(xué)理論解釋了分子間的碰撞。

論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7

參考鏈接：
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-022-00379-x
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220216112213.htm
[3]https://www.quantamagazine.org/an-atomic-clock-promises-link-between-quantum-world-and-gravity-20211025/
[4]https://www.nist.gov/news-events/news/2022/02/jila-atomic-clocks-measure-einsteins-general-relativity-millimeter-scale
[5]https://news.berkeley.edu/2010/02/17/gravitational_redshift/