科学探索|只低一毫米时间也会变慢叶军团队首次在毫米尺度验证广义相对论只低一毫米时间也会变慢|叶军

你知道吗？在地球上，楼层越低，时间过得越慢。这可不是玄学，而是爱因斯坦广义相对论预言的时间膨胀效应：引力越大，时间越慢。今天Nature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，这是迄今为止在最小尺度上验证广义相对论的实验。

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△ 在不同高度差上验证时钟变快（图片来自Nature）

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该研究来自于美国科罗拉多大学JILA实验室的叶军团队。
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。
这种由于引力不同造成的时间差叫做引力红移，虽然已经得到无数次验证，但是如此高精度的检测还是头一次。
引力改变光频率
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” 。

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虽然爱因斯坦早在1915年就预测了这种现象，但是这种“移动”非常小，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。

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△ 在不同高度差上验证时钟变快（图片来自Nature）
虽然这种差距身体无法感知，但却与我们的生活息息相关，因为GPS必须要修正这个极小的时间差才能精确定位。
几乎在12年前的同一天，来自UC伯克利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！
超精准的光晶格钟
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）。
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。
由于激光的相干性，空间中会有周期出现能量较小的区域，从而将锶原子束缚在一个个煎饼形状的空间里。

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△ 光晶格钟原理（图片来自NIST）
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，并扩展了原子的物质波。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。
而对提高精度至关重要的，是叶军团队开发的新成像方法。这种方法能提供整个样本的频率分布的微观图。

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这样，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。
将锶原子冷却后，然后再用一束激光来激发它，将它的外层电子激发到更高的轨道上。
由于只有极小范围的激光频率可以激发电子，因此只要调节激光到恰好激发的频率并测量，就可以极其精确地测量时间。

科学探索|只低一毫米时间也会变慢 叶军团队首次在毫米尺度验证广义相对论

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