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广义相对论有了迄今最高精度测量 子钟将应用于测量科学

科技日报 | 2022-02-22 16:28:17

美国天体物理联合实验室(JILA)的物理学家对爱因斯坦广义相对论的时间膨胀效应进行了有史以来最小尺度的测量,结果表明,两个相隔仅一毫米的微小原子钟,确实以不同的速度运转。16日发表在《自然》杂志上的论文描述了这一实验,并提出了如何使原子钟比当今最好的设计精确50倍的方法,或为揭示相对论和引力如何与量子力学相互作用提供了途径。

爱因斯坦广义相对论解释了宇宙的大尺度结构,如时间上的引力效应,具有修正GPS卫星测量等重要的实际应用。尽管这个理论已有一个多世纪的历史,物理学家们仍然对它着迷。美国国家标准与技术研究院科学家已经使用原子钟作为传感器,越来越精确地测量相对论,这可能有助于最终解释相对论效应如何与亚原子世界的“规则手册”——量子力学相互作用。

根据广义相对论,引力场中不同高度的原子钟以不同的速度运转。当在更靠近地球的更强引力下,原子辐射的频率会降低,向电磁波谱的红色端移动。也就是说,时钟在海拔较低的地方走得更慢,这种效应已被反复证明。

JILA研究人员测量了单个样品的顶部和底部之间的频率偏移,这个样品含有大约10万个超冷锶原子,装载在一个光学晶格中,这个实验室的设置类似于该团队早期的原子钟。在这种情况下,晶格可被想象成由激光束产生的一叠煎饼,异常大,平且薄,是由比通常使用的较弱的光束形成的。这种设计减少了通常由光和原子散射引起的晶格畸变,使样品均匀化,并扩展了原子的物质波,其形状表明了在特定位置找到原子的概率。原子的能量状态被控制得非常好,它们都在两个能级之间精确地同步运行了37秒,创下了所谓的量子相干性的纪录。

通过原子云测量到的红移很小,在0.0000000000000000001的范围内,与预测一致。虽然这些差异太小以致人类无法直接感知,但这些差异累积起来对宇宙以及GPS等技术产生了重大影响。在这类实验中,研究团队在大约30分钟的平均数据中迅速解决了这一差异。经过90小时的数据处理后,他们的测量精度比以前的任何时钟都高出50倍。

研究人员表示,这是一种可以在弯曲时空中探索量子力学的新机制。而更精确的时钟除了用于计时和导航之外,还有其他潜在用途:原子钟既可以作为显微镜来观察量子力学和引力之间的微小联系,也可以作为望远镜来观察宇宙最深处的角落,如寻找神秘的暗物质;原子钟还将应用于测量科学,改善我们对地球形状的理解。

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