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。今天Nature封面的一篇文章證明了，即使高度差只有一毫米，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。

△ 在不同高度差上驗證時鐘變快（圖片來自Nature）

該研究來自於美國科羅拉多大學JILA實驗室的葉軍團隊。

他率團隊開發出世界上最精確的原子鐘，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3000億年只相差1秒，與廣義相對論預言一致。

這種由於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，從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”。

雖然愛因斯坦早在1915年就預測了這種現象，但是這種“移動”非常小，直到1976年才有了第一次精確的實驗驗證。

當時科學家用火箭將原子鐘送到1萬公里的高空，發現它比海平面時鐘快，大約73年快一秒。

△ 在不同高度差上驗證時鐘變快（圖片來自Nature）

雖然這種差距身體無法感知，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確定位。

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云內，原子氣體上下兩端的時間差，而二者之間高度只相差一毫米！

超精準的光晶格鐘

為何葉軍團隊能做到如此精確？那是因為他們使用了一種更精確的時鐘——光晶格鐘（optical lattice clock）。

這套系統先用6束激光將10萬個鍶原子逐步冷卻，最後用紅外激光將鍶原子維持在超冷狀態。

由於激光的相干性，空間中會有周期出現能量較小的區域，從而將鍶原子束縛在一個個煎餅形狀的空間裡。

△ 光晶格鐘原理（圖片來自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，並擴展了原子的物質波。原子的能量狀態控制得非常好，創下了所謂的量子相干時間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佈的微觀圖。

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。

將鍶原子冷卻後，然後再用一束激光來激發它，將它的外層電子激發到更高的軌道上。

由於只有極小範圍的激光頻率可以激發電子，因此只要調節激光到恰好激發的頻率並測量，就可以極其精確地測量時間。

△ 激光激發鍶原子測量頻率（圖片來自NIST）

由於一毫米範圍內的紅移很小，大約只有0.0000000000000000001（別數了，總共19個0），為了能提高精度，研究團隊用大約30分鐘的平均數據解決此問題。

經過90小時的數據分析，他們的測量結果是9.8(2.3) x 10 ^-20 mm ^-1，在誤差範圍內，與廣義相對論符合得很好。

連接量子力學和廣義相對論

本項研究的通訊作者葉軍錶示，此次突破可以把時鐘的精確度提升50倍。這有望提高GPS的精確度。

由於引力紅移，必須對GPS的原子鐘做時間修正，時間修正越準確，也就意味著定位的精度可以越高。

而這對於物理學更是具有重大意義。

最讓人興奮的是，我們現在可以將量子力學和引力聯繫在一起了！

葉軍錶示，精確的原子鐘將開啟在彎曲時空中探索量子力學的可能，比如分佈在彎曲時空中不同位置的粒子，是處於怎樣的複雜物理狀態。

而且，如果能夠將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。

也就意味著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物理學家Flaminia Giacomini也表示，原子鐘是探索這一問題最有希望的系統之一。

葉軍錶示：也許正是這種微小的頻率差打破了量子相干性，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繫。同時也能被應用在天文望遠鏡上，來更加精確地觀測宇宙。

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確測量地球、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物理系教授、美國國家標準與技術研究院（NIST）和科羅拉多大學聯合建立的實驗天體物理實驗室（JILA）研究院。

葉軍本科畢業於上海交通大學應用物理系；博士畢業於科羅拉多大學，師從諾貝爾物理學獎得主約翰·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物理學獎。

其主要研究領域為超冷原子-分子、精密測量、多體量子物理等。

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”的鍶原子光鐘。

之後，他在這一領域不斷刷新紀錄。

2017年，其團隊設計的新型原子鐘，將鍶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鍶原子的密度高出近1000倍，進一步提升原子鐘測量精度。

2020年，葉軍團隊曾在3天內連發Nature、Science論文。

發表在Nature上的《Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature》中，其團隊首次實現量子簡併氣體。

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。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7