曉查 明敏 發自 凹非寺
量子位 | 公衆号 QbitAI
你知道嗎？在地球上，樓層越低，時間過得越慢。
這可不是玄學，而是愛因斯坦廣義相對論預言的時間膨脹效應：引力越大，時間越慢。
△ 在不同高度差上驗證時鐘變快（圖檔來自Nature）
今天Nature封面的一篇文章證明了，即使高度差隻有一毫米，時間流逝的速度也不一樣，這是迄今為止在最小尺度上驗證廣義相對論的實驗。
該研究來自于美國科羅拉多大學JILA實驗室的葉軍團隊。
他率團隊開發出世界上最精确的原子鐘，得出在一毫米高度差上，時間相差大約一千億億分之一，也就是大約3000億年隻相差1秒，與廣義相對論預言一緻。
這種由于引力不同造成的時間差叫做引力紅移，雖然已經得到無數次驗證，但是如此高精度的檢測還是頭一次。
引力改變光頻率
廣義相對論指出，引力場越強，時間就越慢，進而改變電磁波的頻率。
如果一束藍光射向天空，在引力的作用下，就會向紅色端移動，稱之為“引力紅移”。
當時科學家用火箭将原子鐘送到1萬公裡的高空，發現它比海平面時鐘快，大約73年快一秒。
雖然這種差距身體無法感覺，但卻與我們的生活息息相關，因為GPS必須要修正這個極小的時間差才能精确定位。
幾乎在12年前的同一天，來自UC伯克利的團隊測量了高度差33厘米的兩個原子鐘的時間差。
現在葉軍團隊可以做到測量一個原子雲内，原子氣體上下兩端的時間差，而二者之間高度隻相差一毫米！
超精準的光晶格鐘
為何葉軍團隊能做到如此精确？那是因為他們使用了一種更精确的時鐘——光晶格鐘（optical lattice clock）。
這套系統先用6束雷射将10萬個锶原子逐漸冷卻，最後用紅外雷射将锶原子維持在超冷狀态。
由于雷射的相幹性，空間中會有周期出現能量較小的區域，進而将锶原子束縛在一個個煎餅形狀的空間裡。
△ 光晶格鐘原理（圖檔來自NIST）
這種設計減少了由光和原子散射引起的晶格扭曲，使樣品均勻化，并擴充了原子的物質波。原子的能量狀态控制得非常好，創下了所謂的量子相幹時間37秒的紀錄。
而對提高精度至關重要的，是葉軍團隊開發的新成像方法。這種方法能提供整個樣本的頻率分布的微觀圖。
這樣，他們就可以比較一個原子團的兩個區域，而不是使用兩個獨立原子鐘的傳統方法。
将锶原子冷卻後，然後再用一束雷射來激發它，将它的外層電子激發到更高的軌道上。
由于隻有極小範圍的雷射頻率可以激發電子，是以隻要調節雷射到恰好激發的頻率并測量，就可以極其精确地測量時間。
△ 雷射激發锶原子測量頻率（圖檔來自NIST）
由于一毫米範圍内的紅移很小，大約隻有0.0000000000000000001（别數了，總共19個0），為了能提高精度，研究團隊用大約30分鐘的平均資料解決此問題。
經過90小時的資料分析，他們的測量結果是9.8(2.3)×10-20mm-1，在誤差範圍内，與廣義相對論符合得很好。
連接配接量子力學和廣義相對論
本項研究的通訊作者葉軍表示，此次突破可以把時鐘的精确度提升50倍。
這有望提高GPS的精确度。
由于引力紅移，必須對GPS的原子鐘做時間修正，時間修正越準确，也就意味着定位的精度可以越高。
而這對于實體學更是具有重大意義。
最讓人興奮的是，我們現在可以将量子力學和引力聯系在一起了！
葉軍表示，精确的原子鐘将開啟在彎曲時空中探索量子力學的可能，比如分布在彎曲時空中不同位置的粒子，是處于怎樣的複雜實體狀态。
而且，如果能夠将目前的測量效果再提升10倍，研究團隊就能看到穿過時空曲率時，原子的整個物質波。
也就意味着可以開始探索量子尺度下的引力效應。
加拿大滑鐵盧大學理論實體學家Flaminia Giacomini也表示，原子鐘是探索這一問題最有希望的系統之一。
葉軍表示：也許正是這種微小的頻率差打破了量子相幹性，才讓宏觀時間變得經典。
此外，原子鐘還可以被應用在顯微鏡上，來觀察量子力學和引力之間的微妙聯系。同時也能被應用在天文望遠鏡上，來更加精确地觀測宇宙。
事實上，葉軍教授也正在用原子鐘尋找神秘的暗物質。
甚至在大地測量學上，原子鐘也能幫助研究人員更進一步精确測量地球、改進模型。
通訊作者葉軍
最後，我們再來了解一下本項研究的通訊作者——葉軍。
葉軍是美國科羅拉多大學實體系教授、美國國家标準與技術研究院（NIST）和科羅拉多大學聯合建立的實驗天體實體實驗室（JILA）研究院。
葉軍大學畢業于上海交通大學應用實體系；博士畢業于科羅拉多大學，師從諾貝爾實體學獎得主約翰·霍爾。
自1999年開始，葉軍在科羅拉多大學博爾德分校任教，在2008年霍爾退休後接手了實驗室的管理工作。
2011年，葉軍當選為美國國家科學院院士；2017年，當選為中國科學院外籍院士；2020年獲得“墨子量子獎”，2021年獲得科學突破獎基礎實體學獎。
其主要研究領域為超冷原子-分子、精密測量、多體量子實體等。
2007年，葉軍及研究團隊做出了世界上首台“每7000萬年僅誤差1秒”的锶原子光鐘。
之後，他在這一領域不斷重新整理紀錄。
2017年，其團隊設計的新型原子鐘，将锶原子裝入微小的三維立方體中，密度較以前一維原子鐘設計中锶原子的密度高出近1000倍，進一步提升原子鐘測量精度。
2020年，葉軍團隊曾在3天内連發Nature、Science論文。
發表在Nature上的《Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature》中，其團隊首次實作量子簡并氣體。
另一篇發表在Science的論文《Resonant collisional shielding of reactive molecules using electric fields》，則用量子力學理論解釋了分子間的碰撞。
論文位址：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7
參考連結：
[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/