相差1毫米，時間流逝速度就不同 | 科技袁人_風聞
风云之声-风云之声官方账号-2022-06-01 22:18
導言：
一團一毫米尺度的超冷原子Sr的上下兩端之間的時間差測量值是-9.8(2.3) * 10^(-20) mm^-1，與理論值-1.09 * 10^(-19) mm^-1符合。
■ 視頻鏈接：
本視頻發佈於2022年3月16日，點贊量已達3k
■ 精彩呈現：
1915年，愛因斯坦用廣義相對論做出了一個預言：**時間在引力場中會變慢。引力越強，時間越慢。**如果一束光來自強引力場的天體，在遠處看來它的週期就會變得長一些，頻率變得低一些，即向光譜的紅色一端移動，所以這種現象被稱為“引力紅移”。
在我的科普書《量子信息簡話》中，舉了衞星導航系統的例子。由於衞星在天上感受到的引力比在地球表面弱，衞星上的時間就會比地面上流逝得快一點，這是廣義相對論的效應。同時由於衞星相對於地面在高速運動，衞星上的時間又會比地面上流逝得慢一點，這是狹義相對論的效應。這兩個效應都存在，而方向相反，具體哪一個效應大取決於衞星的高度。衞星導航系統必須對這兩者都做出矯正，才能得出正確的座標。
衞星導航系統是用原子鐘來實現精確的時間測量的，時間乘以光速就得到了精確的距離，原子鐘屬於量子精密測量的技術。我在書中還提到，目前最精確的原子鐘可以達到10^(-19)的精度，即每一千億年差一秒。宇宙的年齡也只不過138億年而已，所以這個精度可以説是從宇宙誕生到現在都沒有差一秒！這個紀錄是由美國科學院院士、中國科學院外籍院士葉軍創造的，他是美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology）與科羅拉多大學物理系的教授。
最近，葉軍團隊又創造了一項奇蹟：他們在一毫米的尺度上，測量出了引力導致的時間變化（剛剛！上海交大校友發Nature封面，首次在毫米尺度驗證廣義相對論）。他們在《Nature》上發表的文章叫做《穿過一毫米尺度的原子樣品分辨引力紅移》（Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample）（https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7）。
回顧歷史，對引力紅移的第一次精確測量是在1976年。當時科學家用火箭將原子鐘送到1萬公里的高空，發現它比海平面的時鐘快，大約每73年快一秒。2010年，大衞·維因蘭德（David J. Wineland）教授的團隊測量了高度差33釐米的兩個原子鐘的時間差，他後來獲得2012年諾貝爾物理學獎。
現在葉軍團隊測量的尺度不是一萬公里，不是33釐米，而是1毫米。更重要的是，他們比較的對象不是兩個樣品了，而是同一個樣品內部。具體而言，是一團一毫米尺度的超冷原子Sr的上下兩端之間的時間差。他們把頻率變化比例的測量精度提高了將近兩個量級，達到了7.6 * 10^(-21)。在此基礎上，他們測出樣品中的頻率梯度是-9.8(2.3) * 10^(-20) mm^-1，而理論預測值是-1.09 * 10^(-19) mm^-1。在實驗誤差範圍內，兩者符合得很好。
**這項成果不但是一個技術奇蹟，而且啓發我們對很多基本物理問題產生思考。最重要的是，原子鐘將使我們能夠探索量子力學與廣義相對論的融合。**因為在量子力學中，任何物質都是有波粒二象性的，一個粒子同時會有一個物質波的波長。如果這個粒子處於彎曲的時空中，即處於引力場中，它的量子狀態即波函數會不會受到引力的影響呢？我們正在向這個激動人心的前景前進。