【導語】
「天上一日地下一年，有科學依據了。」
愛因斯坦的廣義相對論指出，引力越大的地方，時間變的越慢。
過去幾十年，不斷有物理學家對這個理論進行探索，並給出了證明，但是實驗的空間尺度都很大。
而今天Nature封面文章證明了，即使高度差只有1個毫米，時間差效應也是存在的，這是目前世界上證明廣義相對論的最小尺度。
廣義相對論得證：一毫米兩端的時間也不一樣
根據廣義相對論論，地球或任何大質量的物體都在以一種減慢時間的方式扭曲時空。
如果你有個雙胞胎兄弟，出生時你生活在平原，而他去了珠穆朗瑪峰，那麼你兄弟就會比你老的更快，因為平原地區的時間過的更慢，而這種差異要透過山腳山頂各放一個原子鐘來測量。
而這次nature釋出的論文，來自科羅拉多大學和美國國家標準與技術研究院的聯合實驗室，葉軍研究組，他們測量了一個毫米高的原子雲頂部和底部之間時間流的差異。
這項工作另一個重要意義是，它處在廣義相對論和量子力學的交叉點上，而這兩個理論是出了名的不相容，這個新時鐘基本上是一個量子系統ー一個原子鐘ーー並將它與引力纏繞在一起。
在實驗中，葉軍的團隊使用了一個光學晶格時鐘-一個由100,000個鍶原子組成的雲團，可以透過鐳射觸發。如果鐳射的頻率恰到好處，那麼圍繞每個原子運動的電子將被激發到一個更高能量的軌道上。
因為只有極小範圍的鐳射頻率促使電子移動，所以測量這個頻率可以提供極其精確的時間。它就像一個量子老式時鐘，滴答聲來自鐳射的振盪，而不是鐘擺的擺動。
葉軍實驗室的原子鐘以藍色鐳射束為特色，激發了圓窗內鍶原子雲。
研究人員將他們的時鐘分成兩部分ーー他們看著相機上的雲彩，然後在上下兩部分周圍畫上兩個想象中的盒子。然後，他們比較了上半部分和下半部分的滴答頻率，發現雲層頂部的原子所經歷的時間比底部的原子所經歷的時間短0.00000000000000001% 。
因為激發頻率是一樣的，所以時間沒有偏移的話應該是一樣的，但現在出現了差異，說明底部確實慢了。
他們測量位移的方法很特殊，比較同一雲團的兩個部分ーー使他們能夠抵消許多兩個部分共有的測量噪聲。
這就像在波濤洶湧的海面上測量一艘帆船。即使在它不可預測地上下搖晃時，龍骨和桅杆之間的距離也將始終保持不變。儘管由原子雲構成的時鐘會因為許多因素而漂移ーー電場、磁場、鐳射本身、環境熱量ーー但是雲層頂部和底部的頻率差別是一樣的。
測量這種差異揭示了重力對時間的影響美，國國家標準與技術研究所的原子鐘專家安德魯 · 勒德洛(Andrew Ludlow)說，“這件事非同小可。”
量子力學和相對論有結合點了
相對論描述了一個時空，在這個時空中，物體具有明確的屬性，並且可以預測地從一個位置移動到另一個位置。相比之下，在量子理論中，一個物體可以同時處於多種性質的“疊加態”，或者它可以突然跳到一個特定的位置。
這兩種描述很好地匹配了他們各自的應用領域，但是放在一起，似乎就矛盾了。那麼，當量子力學和相對論同時描述一種現象時，該怎麼解釋？
以一個大質量物體同時處於兩個可能位置的疊加態為例：
廣義相對論說任何有質量的物體都應該彎曲時空結構。但是如果這個物體處於疊加狀態呢？它周圍的時空也是疊加的嗎？
為了研究這些問題，物理學家總是在尋找引力和量子力學並存的系統，而時鐘自然而然地跨越了量子力學和相對論之間的界限。它們告訴時間，這是一個內在的相對論問題，但同時本質上也是量子的: 電子從一個能級躍遷到另一個能級，是透過兩個能級的疊加態。
如果葉軍的研究小組能夠將他們的生物鐘的靈敏度再提高10倍左右，他們就可以開始尋找原子行為中的引力效應。葉軍表示，精確的原子鐘將開啟在彎曲時空中探索量子力學的可能，比如分佈在彎曲時空中不同位置的粒子，是處於怎樣的物理狀態。
葉軍簡介：本科畢業於上海交通大學應用物理系；博士畢業於科羅拉多大學，師從諾貝爾物理學獎得主約翰·霍爾。
也許正是這種微小的頻率差打破了量子相干性，才讓宏觀時間變得經典（看起來都是有確定狀態）。
參考連結：
https://www.quantamagazine.org/an-atomic-clock-promises-link-between-quantum-world-and-gravity-20211025/
