JILA研究人員測量了這個微小的鍶原子云中的時間膨脹，或原子鐘的運(yùn)轉(zhuǎn)速度如何隨海拔變化。圖片來源：雅各布森/美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院
科技日報實(shí)習(xí)記者 張佳欣
美國天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（JILA）的物理學(xué)家對愛因斯坦廣義相對論的時間膨脹效應(yīng)進(jìn)行了有史以來最小尺度的測量，結(jié)果表明，兩個相隔僅一毫米的微小原子鐘，確實(shí)以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。16日發(fā)表在《自然》雜志上的論文描述了這一實(shí)驗(yàn)，并提出了如何使原子鐘比當(dāng)今最好的設(shè)計(jì)精確50倍的方法，或?yàn)榻沂鞠鄬φ摵鸵θ绾闻c量子力學(xué)相互作用提供了途徑。
愛因斯坦廣義相對論解釋了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，如時間上的引力效應(yīng)，具有修正GPS衛(wèi)星測量等重要的實(shí)際應(yīng)用。盡管這個理論已有一個多世紀(jì)的歷史，物理學(xué)家們?nèi)匀粚λ?。美國國家?biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院科學(xué)家已經(jīng)使用原子鐘作為傳感器，越來越精確地測量相對論，這可能有助于最終解釋相對論效應(yīng)如何與亞原子世界的“規(guī)則手冊”——量子力學(xué)相互作用。
根據(jù)廣義相對論，引力場中不同高度的原子鐘以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)在更靠近地球的更強(qiáng)引力下，原子輻射的頻率會降低，向電磁波譜的紅色端移動。也就是說，時鐘在海拔較低的地方走得更慢，這種效應(yīng)已被反復(fù)證明。
JILA研究人員測量了單個樣品的頂部和底部之間的頻率偏移，這個樣品含有大約10萬個超冷鍶原子，裝載在一個光學(xué)晶格中，這個實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置類似于該團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)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(kuò)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，它們都在兩個能級之間精確地同步運(yùn)行了37秒，創(chuàng)下了所謂的量子相干性的紀(jì)錄。
通過原子云測量到的紅移很小，在0.0000000000000000001的范圍內(nèi)，與預(yù)測一致。雖然這些差異太小以致人類無法直接感知，但這些差異累積起來對宇宙以及GPS等技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。在這類實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)在大約30分鐘的平均數(shù)據(jù)中迅速解決了這一差異。經(jīng)過90小時的數(shù)據(jù)處理后，他們的測量精度比以前的任何時鐘都高出50倍。
研究人員表示，這是一種可以在彎曲時空中探索量子力學(xué)的新機(jī)制。而更精確的時鐘除了用于計(jì)時和導(dǎo)航之外，還有其他潛在用途：原子鐘既可以作為顯微鏡來觀察量子力學(xué)和引力之間的微小聯(lián)系，也可以作為望遠(yuǎn)鏡來觀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(yīng)用于測量科學(xué)，改善我們對地球形狀的理解。
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