最精确的原子钟证明爱因斯坦是对的

世界上最新最精确的原子钟证实，阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论预测的时间膨胀在毫米尺度上有效。

物理学家一直无法将量子力学与广义相对论结合起来，前者是一种描述最小尺度物质的理论，后者则预测宇宙最大尺度下物体的行为，包括引力如何弯曲时空。由于引力在很小的距离内是微弱的，所以很难在小尺度上测量相对论。

但是通过测量原子周围电子改变能量状态时发出的辐射频率来计算秒数的原子钟，可以检测到这些微小的引力效应。

美国天体物理联合实验室（JILA）的Tobias Bothwell和同事将数十万个锶原子分离成煎饼状的团，每个“煎饼团”由30个原子组成。他们利用可见光，将这些“煎饼团”在垂直方向上束缚成一个1毫米高的堆叠，然后用激光照射这个堆叠，并用高速摄像机探测散射的光。

由于原子是垂直排列的，地球的引力导致每组原子的振荡频率发生不同程度的移动，这种效应被称为引力红移。在JILA团队这个时钟顶部1秒钟的测量值比在底部测得的长10-19秒。论文通讯作者、JILA团队成员叶军说，这意味着如果让这个时钟运行宇宙年龄那么长的时间——大约140亿年，它只会偏差0.1秒。

这种精确到小数点后21位的红移测量是爱因斯坦的理论预言到的。以前的测量是通过比较不同的时钟来观察大尺度上的红移，但JILA团队此次测量红移时只用了一个时钟。

“这是第一次，我们不再是比较30厘米范围内的不同时钟，而是在一个原子钟内进行观察。”Bothwell说，这种原子钟的设计最终可能被用于测量空间引力波，或用于研究暗物质与物质耦合的可能方式，并在更实用的领域有所作为，比如提高全球定位系统（GPS）的精度。

美国威斯康星大学麦迪逊分校的一个研究小组也制造了一种新的原子钟装置。Shimon Kolkowitz和同事用6种不同的锶原子钟进行比较，以测量1秒。这个比较模型意味着，相比JILA团队，该团队可以使用更不稳定的激光，但仍能达到非常高的精度：每3000亿年才相差1秒。

“这是一个很好的证明，你可以使用性能低得多的激光器，但仍可以进行时钟比较，并且精度达到了惊人的水平。”Kolkowitz说。

Kolkowitz团队的时钟测量了原子钟之间的相对差异，因此非常适合于确定在空间中传播的难以测量的效应，比如引力波或暗物质。

2月17日，两个团队的研究成果均发表于《自然》杂志。（文乐乐）

来源： 中国科学报