最精確的原子鐘證明愛因斯坦是對的

文樂樂

世界上最新最精確的原子鐘證實，阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論預測的時間膨脹在毫米尺度上有效。

物理學家一直無法將量子力學與廣義相對論結合起來，前者是一種描述最小尺度物質的理論，后者則預測宇宙最大尺度下物體的行為，包括引力如何彎曲時空。由于引力在很小的距離內是微弱的，所以很難在小尺度上測量相對論。

但是通過測量原子周圍電子改變能量狀態時發出的輻射頻率來計算秒數的原子鐘，可以檢測到這些微小的引力效應。

美國天體物理聯合實驗室（JILA）的Tobias Bothwell和同事將數十萬個鍶原子分離成煎餅狀的團，每個“煎餅團”由30個原子組成。他們利用可見光，將這些“煎餅團”在垂直方向上束縛成一個1毫米高的堆疊，然后用激光照射這個堆疊，并用高速攝像機探測散射的光。

由于原子是垂直排列的，地球的引力導致每組原子的振蕩頻率發生不同程度的移動，這種效應被稱為引力紅移。在JILA團隊這個時鐘頂部1秒鐘的測量值比在底部測得的長10-19秒。論文通訊作者、JILA團隊成員葉軍說，這意味著如果讓這個時鐘運行宇宙年齡那么長的時間——大約140億年，它只會偏差0.1秒。

這種精確到小數點后21位的紅移測量是愛因斯坦的理論預言到的。以前的測量是通過比較不同的時鐘來觀察大尺度上的紅移，但JILA團隊此次測量紅移時只用了一個時鐘。

“這是第一次，我們不再是比較30厘米范圍內的不同時鐘，而是在一個原子鐘內進行觀察。”Bothwell說，這種原子鐘的設計最終可能被用于測量空間引力波，或用于研究暗物質與物質耦合的可能方式，并在更實用的領域有所作為，比如提高全球定位系統（GPS）的精度。

美國威斯康星大學麥迪遜分校的一個研究小組也制造了一種新的原子鐘裝置。Shimon Kolkowitz和同事用6種不同的鍶原子鐘進行比較，以測量1秒。這個比較模型意味著，相比JILA團隊，該團隊可以使用更不穩定的激光，但仍能達到非常高的精度：每3000億年才相差1秒。

“這是一個很好的證明，你可以使用性能低得多的激光器，但仍可以進行時鐘比較，并且精度達到了驚人的水平。”Kolkowitz說。

Kolkowitz團隊的時鐘測量了原子鐘之間的相對差異，因此非常適合于確定在空間中傳播的難以測量的效應，比如引力波或暗物質。