近日，《自然》雜志封面的一篇文章證明了即使高度差只有一毫米，時(shí)間流逝的速度也不一樣，該研究來自中國科學(xué)家葉軍所率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，這是迄今為止在最小尺度上驗(yàn)證廣義相對論的實(shí)驗(yàn)。

他率團(tuán)隊(duì)開發(fā)出世界上最精確的原子鐘，得出在一毫米高度差上，時(shí)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(yù)言一致。

廣義相對論指出，引力場越強(qiáng)，時(shí)間就越慢，從而改變電磁波的頻率。如果一束藍(lán)光射向天空，在引力的作用下，就會(huì)向紅色端移動(dòng)，稱之為“引力紅移”。雖然愛因斯坦早在1915年就預(yù)測了這種現(xiàn)象，直到1976年才有了第一次精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)時(shí)科學(xué)家用火箭將原子鐘送到1萬公里的高空，發(fā)現(xiàn)它比海平面時(shí)鐘快，大約73年快一秒。幾乎在12年前的同一天，來自加州大學(xué)伯克利分校的團(tuán)隊(duì)測量了高度差33厘米的兩個(gè)原子鐘的時(shí)間差?，F(xiàn)在葉軍團(tuán)隊(duì)可以做到測量一個(gè)原子云內(nèi)，原子氣體上下兩端的時(shí)間差，而二者之間高度只相差一毫米。

葉軍團(tuán)隊(duì)能做到如此精確的原因在于使用了更加精確的時(shí)鐘，即光晶格鐘（optical lattice clock）。這套系統(tǒng)先用6束激光將10萬個(gè)鍶原子逐步冷卻，最后用紅外激光將鍶原子維持在超冷狀態(tài)。原子的能量狀態(tài)控制得非常好，創(chuàng)下了所謂的量子相干時(shí)間37秒的紀(jì)錄。對提高精度至關(guān)重要，還有新開發(fā)的成像方法，這種方法能提供整個(gè)樣本的頻率分布的微觀圖。他們就可以比較一個(gè)原子團(tuán)的兩個(gè)區(qū)域，而不是使用兩個(gè)獨(dú)立原子鐘的傳統(tǒng)方法。

由于一毫米范圍內(nèi)的紅移非常小，為了能提高精度，研究團(tuán)隊(duì)用大約30分鐘的平均數(shù)據(jù)解決此問題。經(jīng)過90小時(shí)的數(shù)據(jù)分析，他們的測量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，與廣義相對論符合得很好。

葉軍表示，此次突破可以把時(shí)鐘的精確度提升50倍。這有望提高GPS的精確度。由于引力紅移，必須對GPS的原子鐘做時(shí)間修正，時(shí)間修正越準(zhǔn)確，也就意味著定位的精度可以越高。

該研究有望將量子力學(xué)和引力聯(lián)系在一起。精確的原子鐘將開啟在彎曲時(shí)空中探索量子力學(xué)的可能，比如分布在彎曲時(shí)空中不同位置的粒子，是處于怎樣的復(fù)雜物理狀態(tài)。如果能夠?qū)⒛壳暗臏y量效果再提升10倍，研究團(tuán)隊(duì)就能看到穿過時(shí)空曲率時(shí)，原子的整個(gè)物質(zhì)波。也就意味著可以開始探索量子尺度下的引力效應(yīng)。此外原子鐘還可以被應(yīng)用在顯微鏡上，來觀察量子力學(xué)和引力之間的微妙聯(lián)系。同時(shí)也能被應(yīng)用在天文望遠(yuǎn)鏡上，來更加精確地觀測宇宙。

（總臺央視記者 竇筠韻 張峻赫）