相差1毫米，时间流逝速度就不同 | 科技袁人

导言：

一团一毫米尺度的超冷原子Sr的上下两端之间的时间差测量值是-9.8(2.3) * 10^(-20) mm^-1，与理论值-1.09 * 10^(-19) mm^-1符合。

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本视频发布于2022年3月16日，点赞量已达3k

■ 精彩呈现：

1915年，爱因斯坦用广义相对论做出了一个预言：时间在引力场中会变慢。引力越强，时间越慢。如果一束光来自强引力场的天体，在远处看来它的周期就会变得长一些，频率变得低一些，即向光谱的红色一端移动，所以这种现象被称为“引力红移”。

在我的科普书《量子信息简话》中，举了卫星导航系统的例子。由于卫星在天上感受到的引力比在地球表面弱，卫星上的时间就会比地面上流逝得快一点，这是广义相对论的效应。同时由于卫星相对于地面在高速运动，卫星上的时间又会比地面上流逝得慢一点，这是狭义相对论的效应。这两个效应都存在，而方向相反，具体哪一个效应大取决于卫星的高度。卫星导航系统必须对这两者都做出矫正，才能得出正确的坐标。

卫星导航系统是用原子钟来实现精确的时间测量的，时间乘以光速就得到了精确的距离，原子钟属于量子精密测量的技术。我在书中还提到，目前最精确的原子钟可以达到10^(-19)的精度，即每一千亿年差一秒。宇宙的年龄也只不过138亿年而已，所以这个精度可以说是从宇宙诞生到现在都没有差一秒！这个纪录是由美国科学院院士、中国科学院外籍院士叶军创造的，他是美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）与科罗拉多大学物理系的教授。

最近，叶军团队又创造了一项奇迹：他们在一毫米的尺度上，测量出了引力导致的时间变化（刚刚！上海交大校友发Nature封面，首次在毫米尺度验证广义相对论）。他们在《Nature》上发表的文章叫做《穿过一毫米尺度的原子样品分辨引力红移》（Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample）（https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7）。

回顾历史，对引力红移的第一次精确测量是在1976年。当时科学家用火箭将原子钟送到1万公里的高空，发现它比海平面的时钟快，大约每73年快一秒。2010年，大卫·维因兰德（David J. Wineland）教授的团队测量了高度差33厘米的两个原子钟的时间差，他后来获得2012年诺贝尔物理学奖。

现在叶军团队测量的尺度不是一万公里，不是33厘米，而是1毫米。更重要的是，他们比较的对象不是两个样品了，而是同一个样品内部。具体而言，是一团一毫米尺度的超冷原子Sr的上下两端之间的时间差。他们把频率变化比例的测量精度提高了将近两个量级，达到了7.6 * 10^(-21)。在此基础上，他们测出样品中的频率梯度是-9.8(2.3) * 10^(-20) mm^-1，而理论预测值是-1.09 * 10^(-19) mm^-1。在实验误差范围内，两者符合得很好。

这项成果不但是一个技术奇迹，而且启发我们对很多基本物理问题产生思考。最重要的是，原子钟将使我们能够探索量子力学与广义相对论的融合。因为在量子力学中，任何物质都是有波粒二象性的，一个粒子同时会有一个物质波的波长。如果这个粒子处于弯曲的时空中，即处于引力场中，它的量子状态即波函数会不会受到引力的影响呢？我们正在向这个激动人心的前景前进。

■ 扩展阅读：

■ 作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

■ 责任编辑：羊羊

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