近日，《自然》雜志封面的一篇文章證明了即使高度差只有一毫米，時間流逝的速度也不一樣，該研究來自中國科學家葉軍所率領的科研團隊，這是迄今為止在最小尺度上驗證廣義相對論的實驗。

他率團隊開發出世界上最精確的原子鐘，得出在一毫米高度差上，時間相差大約一千億億分之一，也就是大約3000億年只相差1秒，與廣義相對論預言一致。

廣義相對論指出，引力場越強，時間就越慢，從而改變電磁波的頻率。如果一束藍光射向天空，在引力的作用下，就會向紅色端移動，稱之為“引力紅移”。雖然愛因斯坦早在1915年就預測了這種現象，直到1976年才有了第一次精確的實驗驗證，當時科學家用火箭將原子鐘送到1萬公里的高空，發現它比海平面時鐘快，大約73年快一秒。幾乎在12年前的同一天，來自加州大學伯克利分校的團隊測量了高度差33厘米的兩個原子鐘的時間差。現在葉軍團隊可以做到測量一個原子云內，原子氣體上下兩端的時間差，而二者之間高度只相差一毫米。

葉軍團隊能做到如此精確的原因在于使用了更加精確的時鐘，即光晶格鐘（optical lattice clock）。這套系統先用6束激光將10萬個鍶原子逐步冷卻，最后用紅外激光將鍶原子維持在超冷狀態。原子的能量狀態控制得非常好，創下了所謂的量子相干時間37秒的紀錄。對提高精度至關重要，還有新開發的成像方法，這種方法能提供整個樣本的頻率分布的微觀圖。他們就可以比較一個原子團的兩個區域，而不是使用兩個獨立原子鐘的傳統方法。

由于一毫米范圍內的紅移非常小，為了能提高精度，研究團隊用大約30分鐘的平均數據解決此問題。經過90小時的數據分析，他們的測量結果在誤差范圍內，與廣義相對論符合得很好。

葉軍表示，此次突破可以把時鐘的精確度提升50倍。這有望提高GPS的精確度。由于引力紅移，必須對GPS的原子鐘做時間修正，時間修正越準確，也就意味著定位的精度可以越高。

該研究有望將量子力學和引力聯系在一起。精確的原子鐘將開啟在彎曲時空中探索量子力學的可能，比如分布在彎曲時空中不同位置的粒子，是處于怎樣的復雜物理狀態。如果能夠將目前的測量效果再提升10倍，研究團隊就能看到穿過時空曲率時，原子的整個物質波。也就意味著可以開始探索量子尺度下的引力效應。此外原子鐘還可以被應用在顯微鏡上，來觀察量子力學和引力之間的微妙聯系。同時也能被應用在天文望遠鏡上，來更加精確地觀測宇宙。

（總臺央視記者 竇筠韻 張峻赫）