美國天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(JILA)的物理學(xué)家對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的時(shí)間膨脹效應(yīng)進(jìn)行了有史以來最小尺度的測(cè)量，結(jié)果表明，兩個(gè)相隔僅一毫米的微小原子鐘，確實(shí)以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。16日發(fā)表在《自然》雜志上的論文描述了這一實(shí)驗(yàn)，并提出了如何使原子鐘比當(dāng)今最好的設(shè)計(jì)精確50倍的方法，或?yàn)榻沂鞠鄬?duì)論和引力如何與量子力學(xué)相互作用提供了途徑。
愛因斯坦廣義相對(duì)論解釋了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，如時(shí)間上的引力效應(yīng)，具有修正GPS衛(wèi)星測(cè)量等重要的實(shí)際應(yīng)用。盡管這個(gè)理論已有一個(gè)多世紀(jì)的歷史，物理學(xué)家們?nèi)匀粚?duì)它著迷。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院科學(xué)家已經(jīng)使用原子鐘作為傳感器，越來越精確地測(cè)量相對(duì)論，這可能有助于最終解釋相對(duì)論效應(yīng)如何與亞原子世界的“規(guī)則手冊(cè)”——量子力學(xué)相互作用。
根據(jù)廣義相對(duì)論，引力場(chǎng)中不同高度的原子鐘以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)在更靠近地球的更強(qiáng)引力下，原子輻射的頻率會(huì)降低，向電磁波譜的紅色端移動(dòng)。也就是說，時(shí)鐘在海拔較低的地方走得更慢，這種效應(yīng)已被反復(fù)證明。
JILA研究人員測(cè)量了單個(gè)樣品的頂部和底部之間的頻率偏移，這個(gè)樣品含有大約10萬個(gè)超冷鍶原子，裝載在一個(gè)光學(xué)晶格中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置類似于該團(tuán)隊(duì)早期的原子鐘。在這種情況下，晶格可被想象成由激光束產(chǎn)生的一疊煎餅，異常大、平且薄，是由比通常使用的較弱的光束形成的。這種設(shè)計(jì)減少了通常由光和原子散射引起的晶格畸變，使樣品均勻化，并擴(kuò)展了原子的物質(zhì)波，其形狀表明了在特定位置找到原子的概率。原子的能量狀態(tài)被控制得非常好，它們都在兩個(gè)能級(jí)之間精確地同步運(yùn)行了37秒，創(chuàng)下了所謂的量子相干性的紀(jì)錄。
通過原子云測(cè)量到的紅移很小，在0.0000000000000000001的范圍內(nèi)，與預(yù)測(cè)一致。雖然這些差異太小以致人類無法直接感知，但這些差異累積起來對(duì)宇宙以及GPS等技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。在這類實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)在大約30分鐘的平均數(shù)據(jù)中迅速解決了這一差異。經(jīng)過90小時(shí)的數(shù)據(jù)處理后，他們的測(cè)量精度比以前的任何時(shí)鐘都高出50倍。
研究人員表示，這是一種可以在彎曲時(shí)空中探索量子力學(xué)的新機(jī)制。而更精確的時(shí)鐘除了用于計(jì)時(shí)和導(dǎo)航之外，還有其他潛在用途：原子鐘既可以作為顯微鏡來觀察量子力學(xué)和引力之間的微小聯(lián)系，也可以作為望遠(yuǎn)鏡來觀察宇宙最深處的角落，如尋找神秘的暗物質(zhì);原子鐘還將應(yīng)用于測(cè)量科學(xué)，改善我們對(duì)地球形狀的理解。
