文樂樂

世界上最新最精確的原子鐘證實(shí)，阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的時(shí)間膨脹在毫米尺度上有效。

物理學(xué)家一直無法將量子力學(xué)與廣義相對(duì)論結(jié)合起來，前者是一種描述最小尺度物質(zhì)的理論，后者則預(yù)測(cè)宇宙最大尺度下物體的行為，包括引力如何彎曲時(shí)空。由于引力在很小的距離內(nèi)是微弱的，所以很難在小尺度上測(cè)量相對(duì)論。

但是通過測(cè)量原子周圍電子改變能量狀態(tài)時(shí)發(fā)出的輻射頻率來計(jì)算秒數(shù)的原子鐘，可以檢測(cè)到這些微小的引力效應(yīng)。

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

由于原子是垂直排列的，地球的引力導(dǎo)致每組原子的振蕩頻率發(fā)生不同程度的移動(dòng)，這種效應(yīng)被稱為引力紅移。在JILA團(tuán)隊(duì)這個(gè)時(shí)鐘頂部1秒鐘的測(cè)量值比在底部測(cè)得的長10-19秒。論文通訊作者、JILA團(tuán)隊(duì)成員葉軍說，這意味著如果讓這個(gè)時(shí)鐘運(yùn)行宇宙年齡那么長的時(shí)間——大約140億年，它只會(huì)偏差0.1秒。

這種精確到小數(shù)點(diǎn)后21位的紅移測(cè)量是愛因斯坦的理論預(yù)言到的。以前的測(cè)量是通過比較不同的時(shí)鐘來觀察大尺度上的紅移，但JILA團(tuán)隊(duì)此次測(cè)量紅移時(shí)只用了一個(gè)時(shí)鐘。

“這是第一次，我們不再是比較30厘米范圍內(nèi)的不同時(shí)鐘，而是在一個(gè)原子鐘內(nèi)進(jìn)行觀察。”Bothwell說，這種原子鐘的設(shè)計(jì)最終可能被用于測(cè)量空間引力波，或用于研究暗物質(zhì)與物質(zhì)耦合的可能方式，并在更實(shí)用的領(lǐng)域有所作為，比如提高全球定位系統(tǒng)（GPS）的精度。

美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的一個(gè)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(jìn)行比較，以測(cè)量1秒。這個(gè)比較模型意味著，相比JILA團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)可以使用更不穩(wěn)定的激光，但仍能達(dá)到非常高的精度：每3000億年才相差1秒。

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

Kolkowitz團(tuán)隊(duì)的時(shí)鐘測(cè)量了原子鐘之間的相對(duì)差異，因此非常適合于確定在空間中傳播的難以測(cè)量的效應(yīng)，比如引力波或暗物質(zhì)。