科学探索|只低一毫米时间也会变慢 叶军团队首次在毫米尺度验证广义相对论( 二 )
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2023-08-14 16:38:33
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科学探索|只低一毫米时间也会变慢 叶军团队首次在毫米尺度验证广义相对论
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△ 激光激发锶原子测量频率(图片来自NIST)
由于一毫米范围内的红移很小,大约只有0.0000000000000000001(别数了,总共19个0),为了能提高精度,研究团队用大约30分钟的平均数据解决此问题 。
经过90小时的数据分析,他们的测量结果是9.8(2.3) x 10-20mm-1,在误差范围内,与广义相对论符合得很好 。

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连接量子力学和广义相对论
本项研究的通讯作者叶军表示,此次突破可以把时钟的精确度提升50倍 。这有望提高GPS的精确度 。
由于引力红移,必须对GPS的原子钟做时间修正,时间修正越准确,也就意味着定位的精度可以越高 。
而这对于物理学更是具有重大意义 。
最让人兴奋的是,我们现在可以将量子力学和引力联系在一起了!
叶军表示,精确的原子钟将开启在弯曲时空中探索量子力学的可能,比如分布在弯曲时空中不同位置的粒子,是处于怎样的复杂物理状态 。
而且,如果能够将目前的测量效果再提升10倍,研究团队就能看到穿过时空曲率时,原子的整个物质波 。
也就意味着可以开始探索量子尺度下的引力效应 。
加拿大滑铁卢大学理论物理学家Flaminia Giacomini也表示,原子钟是探索这一问题最有希望的系统之一 。

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叶军表示:也许正是这种微小的频率差打破了量子相干性,才让宏观时间变得经典 。
此外,原子钟还可以被应用在显微镜上,来观察量子力学和引力之间的微妙联系 。同时也能被应用在天文望远镜上,来更加精确地观测宇宙 。
事实上,叶军教授也正在用原子钟寻找神秘的暗物质 。
甚至在大地测量学上,原子钟也能帮助研究人员更进一步精确测量地球、改进模型 。
通讯作者叶军
最后,我们再来了解一下本项研究的通讯作者——叶军 。
叶军是美国科罗拉多大学物理系教授、美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学联合建立的实验天体物理实验室(JILA)研究院 。

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叶军本科毕业于上海交通大学应用物理系;博士毕业于科罗拉多大学,师从诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔 。
自1999年开始,叶军在科罗拉多大学博尔德分校任教,在2008年霍尔退休后接手了实验室的管理工作 。
2011年,叶军当选为美国国家科学院院士;2017年,当选为中国科学院外籍院士;2020年获得“墨子量子奖”,2021年获得科学突破奖基础物理学奖 。
其主要研究领域为超冷原子-分子、精密测量、多体量子物理等 。
2007年,叶军及研究团队做出了世界上首台“每7000万年仅误差1秒”的锶原子光钟 。

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之后,他在这一领域不断刷新纪录 。
2017年,其团队设计的新型原子钟,将锶原子装入微小的三维立方体中,密度较以前一维原子钟设计中锶原子的密度高出近1000倍,进一步提升原子钟测量精度 。
2020年,叶军团队曾在3天内连发Nature、Science论文 。

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