中国科学家首次在毫米尺度验证广义相对论 登上《自然》杂志封面

近日，《自然》杂志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，该研究来自中国科学家叶军所率领的科研团队，这是迄今为止在最小尺度上验证广义相对论的实验。

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。

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”。虽然爱因斯坦早在1915年就预测了这种现象，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。几乎在12年前的同一天，来自加州大学伯克利分校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。

叶军团队能做到如此精确的原因在于使用了更加精确的时钟，即光晶格钟（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。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。对提高精度至关重要还有新开发的成像方法。这种方法能提供整个样本的频率分布的微观图。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。

由于一毫米范围内的红移非常小，为了能提高精度，研究团队用大约30分钟的平均数据解决此问题。经过90小时的数据分析，他们的测量结果是9.8(2.3)×10-20MM-1，在误差范围内，与广义相对论符合得很好。

叶军表示，此次突破可以把时钟的精确度提升50倍。这有望提高GPS的精确度。由于引力红移，必须对GPS的原子钟做时间修正，时间修正越准确，也就意味着定位的精度可以越高。

该研究有望将量子力学和引力联系在一起。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。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。此外原子钟还可以被应用在显微镜上，来观察量子力学和引力之间的微妙联系。同时也能被应用在天文望远镜上，来更加精确地观测宇宙。