設計精確50倍！愛(ài)因斯坦廣義相對論有了最高精度測量

美國天體物理聯(lián)合實(shí)驗室(JILA)的物理學(xué)家對愛(ài)因斯坦廣義相對論的時(shí)間膨脹效應進(jìn)行了有史以來(lái)最小尺度的測量，結果表明，兩個(gè)相隔僅一毫米的微小原子鐘，確實(shí)以不同的速度運轉。16日發(fā)表在《自然》雜志上的論文描述了這一實(shí)驗，并提出了如何使原子鐘比當今最好的設計精確50倍的方法，或為揭示相對論和引力如何與量子力學(xué)相互作用提供了途徑。

愛(ài)因斯坦廣義相對論解釋了宇宙的大尺度結構，如時(shí)間上的引力效應，具有修正GPS衛星測量等重要的實(shí)際應用。盡管這個(gè)理論已有一個(gè)多世紀的歷史，物理學(xué)家們仍然對它著(zhù)迷。美國國家標準與技術(shù)研究院科學(xué)家已經(jīng)使用原子鐘作為傳感器，越來(lái)越精確地測量相對論，這可能有助于最終解釋相對論效應如何與亞原子世界的“規則手冊”——量子力學(xué)相互作用。

根據廣義相對論，引力場(chǎng)中不同高度的原子鐘以不同的速度運轉。當在更靠近地球的更強引力下，原子輻射的頻率會(huì )降低，向電磁波譜的紅色端移動(dòng)。也就是說(shuō)，時(shí)鐘在海拔較低的地方走得更慢，這種效應已被反復證明。

JILA研究人員測量了單個(gè)樣品的頂部和底部之間的頻率偏移，這個(gè)樣品含有大約10萬(wàn)個(gè)超冷鍶原子，裝載在一個(gè)光學(xué)晶格中，這個(gè)實(shí)驗室的設置類(lèi)似于該團隊早期的原子鐘。在這種情況下，晶格可被想象成由激光束產(chǎn)生的一疊煎餅，異常大、平且薄，是由比通常使用的較弱的光束形成的。這種設計減少了通常由光和原子散射引起的晶格畸變，使樣品均勻化，并擴展了原子的物質(zhì)波，其形狀表明了在特定位置找到原子的概率。原子的能量狀態(tài)被控制得非常好，它們都在兩個(gè)能級之間精確地同步運行了37秒，創(chuàng )下了所謂的量子相干性的紀錄。

通過(guò)原子云測量到的紅移很小，在0.0000000000000000001的范圍內，與預測一致。雖然這些差異太小以致人類(lèi)無(wú)法直接感知，但這些差異累積起來(lái)對宇宙以及GPS等技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。在這類(lèi)實(shí)驗中，研究團隊在大約30分鐘的平均數據中迅速解決了這一差異。經(jīng)過(guò)90小時(shí)的數據處理后，他們的測量精度比以前的任何時(shí)鐘都高出50倍。

研究人員表示，這是一種可以在彎曲時(shí)空中探索量子力學(xué)的新機制。而更精確的時(shí)鐘除了用于計時(shí)和導航之外，還有其他潛在用途：原子鐘既可以作為顯微鏡來(lái)觀(guān)察量子力學(xué)和引力之間的微小聯(lián)系，也可以作為望遠鏡來(lái)觀(guān)察宇宙最深處的角落，如尋找神秘的暗物質(zhì);原子鐘還將應用于測量科學(xué)，改善我們對地球形狀的理解。(科技日報實(shí)習記者 張佳欣)

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