Nature封面: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

百家 作者:人工智能学家 2022-02-17 19:01:19 阅读:107
来源:凹非寺
作者:晓查 明敏

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。


△ 在不同高度差上验证时钟变快(图片来自Nature)


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。



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”。




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。


△ 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。


△ 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。



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。


△ 激光激发锶原子测量频率(图片来自NIST)

由于一毫米范围内的红移很小,大约只有0.0000000000000000001(别数了,总共19个0),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。


连接量子力学和广义相对论

本项研究的通讯作者叶军表示,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。


而这对于物理学更是具有重大意义。


最让人兴奋的是,我们现在可以将量子力学和引力联系在一起了!


叶军表示,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。


而且,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。


加拿大滑铁卢大学理论物理学家Flaminia Giacomini也表示,原子钟是探索这一问题最有希望的系统之一。



叶军表示:也许正是这种微小的频率差打破了量子相干性,才让宏观时间变得经典。

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。


事实上,叶军教授也正在用原子钟寻找神秘的暗物质。


甚至在大地测量学上,原子钟也能帮助研究人员更进一步精确测量地球、改进模型。

通讯作者叶军

最后,我们再来了解一下本项研究的通讯作者——叶军


叶军是美国科罗拉多大学物理系教授、美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学联合建立的实验天体物理实验室(JILA)研究院。



叶军本科毕业于上海交通大学应用物理系;博士毕业于科罗拉多大学,师从诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔。


自1999年开始,叶军在科罗拉多大学博尔德分校任教,在2008年霍尔退休后接手了实验室的管理工作。


2011年,叶军当选为美国国家科学院院士;2017年,当选为中国科学院外籍院士;2020年获得“墨子量子奖”,2021年获得科学突破奖基础物理学奖。


其主要研究领域为超冷原子-分子、精密测量、多体量子物理等。


2007年,叶军及研究团队做出了世界上首台“每7000万年仅误差1秒”的锶原子光钟。



之后,他在这一领域不断刷新纪录。


2017年,其团队设计的新型原子钟,将锶原子装入微小的三维立方体中,密度较以前一维原子钟设计中锶原子的密度高出近1000倍,进一步提升原子钟测量精度。


2020年,叶军团队曾在3天内连发Nature、Science论文。


发表在Nature上的《Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature》中,其团队首次实现量子简并气体。


另一篇发表在Science的论文《Resonant collisional shielding of reactive molecules using electric fields》,则用量子力学理论解释了分子间的碰撞。


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


参考链接:
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-022-00379-x
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220216112213.htm
[3]https://www.quantamagazine.org/an-atomic-clock-promises-link-between-quantum-world-and-gravity-20211025/
[4]https://www.nist.gov/news-events/news/2022/02/jila-atomic-clocks-measure-einsteins-general-relativity-millimeter-scale
[5]https://news.berkeley.edu/2010/02/17/gravitational_redshift/

未来智能实验室的主要工作包括:建立AI智能系统智商评测体系,开展世界人工智能智商评测;开展互联网(城市)大脑研究计划,构建互联网(城市)大脑技术和企业图谱,为提升企业,行业与城市的智能水平服务。每日推荐范围未来科技发展趋势的学习型文章。目前线上平台已收藏上千篇精华前沿科技文章和报告。


  如果您对实验室的研究感兴趣,欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”


关注公众号:拾黑(shiheibook)了解更多

[广告]赞助链接:

四季很好,只要有你,文娱排行榜:http://www.yaopaiming.com/
让资讯触达的更精准有趣:https://www.0xu.cn/

关注网络尖刀微信公众号
随时掌握互联网精彩
赞助链接