上海交大校友验证爱因斯坦理论
上海交大校友验证爱因斯坦理论，今天叶军团队发表在Nature封面的一篇文章证明了，即使高度差只有一毫米，时间流逝的速度也不一样，上海交大校友验证爱因斯坦理论。
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美国科罗拉多大学天体物理联合实验室(JILA)物理学家、上海交通大学校友叶军带领团队，首次在毫米尺度验证爱因斯坦广义相对论。
根据广义相对论，在引力场中不同高度的原子钟以不同的速度转动。当在更强的引力下，更靠近地球的地方观测时，原子振动的频率会降低——向电磁波谱的红端移动，这种效应被称为引力红移。也就是说，时钟在海拔较低的地方走得更慢。
叶军带领的研究团队以有史以来最小的尺度验证了这一时间膨胀效应，表明两个微小的原子钟，相隔仅一毫米，也会以不同速度运转。相关成果发表在2月17日的《自然》(Nature)期刊上，并荣登封面。
图片来自《自然》(Nature)
团队提出了如何使原子钟比之前精确50倍的方法，并提供了一条可能揭示相对论和引力如何与量子力学相互作用的途径，而量子力学是目前物理学研究中的一个主要难题。
“最重要和最令人激动的成果是，我们有可能将量子物理和引力联系起来，例如，当粒子分布在弯曲时空的不同位置时来探测复杂的物理学。”叶军说，“在计时方面，成果还表明，使如今的时钟再精确50倍，没有任何障碍——这是一个奇妙的消息。”
爱因斯坦1915年提出的广义相对论揭示了诸如对时间的引力效应，并具有重要的实际应用，如纠正GPS卫星测量。尽管这个理论已存在一个多世纪，物理学家仍对它着迷。多年来，美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家已利用原子钟越来越精确地测量相对论。例如，NIST物理学家2010年通过比较2个相距33厘米的原子钟来验证广义相对论。
JILA实验室则由美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。
在本次实验中，叶军团队主要利用光学晶格时钟进行研究。团队先用6束激光将10万个锶原子逐步冷却，最后用红外激光将锶原子维持在超冷状态，并装载在一个光学晶格中。晶格可以想象成由激光束产生的一叠煎饼，这种设计减少了由光和原子散射引起的晶格扭曲，使样品均匀化，并扩展了原子的物质波。原子的能量状态控制得很好，创下了量子相干时间37秒的纪录。
研究人员在这一小片锶原子云中测量了时间膨胀效应，图片来自NIST
提升精度至关重要的，是该团队创新的新成像方法。这种方法能提供整个样本频率分布的微观图，从而能够比较一个原子团的两个区域，而不是沿用两个独立原子钟的传统方法。
通过原子团测量到的红移很小，在0.000000000000001的范围内，也就是一千亿亿分之一。虽然这一微小的尺度，人类无法直接感知，但这些差异加在一起对宇宙以及GPS等技术产生了重大影响。研究团队利用约30分钟的平均数据解决这一问题。经过90小时的数据处理后，测量精度比以往任何时钟都要高出50倍。
相隔1毫米的原子钟时间差一千亿亿分之一，图片来自论文
“这是一场全新的比赛，一种可以在弯曲时空中探索量子力学的新方法，”叶军表示，“如果我们能测量比这更精确10倍的引力红移，我们就能看到穿越时空曲率的原子整个物质波。例如，在如此微小的尺度上测量时差，可以使我们发现引力会破坏量子相干性，这可能是我们的宏观世界（依旧）是经典物理学世界的根本原因。”
更精准的时钟除了用于计时和导航外，还有更多用途。叶军认为，原子钟既可以作为显微镜来观察量子力学和引力之间的微小联系，也可以作为望远镜来观察宇宙的最深处。他正运用原子钟寻找神秘的暗物质，科学家相信暗物质构成了宇宙中的大部分物质。原子钟还可通过“相对论测地学”(relativistic geodesy)，进一步测量地球形状并改善模型。
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根据顶级科学期刊《自然》（Nature）发表的一篇封面论文[1]，物理学家通过极为精确的原子钟发现，高度仅仅高了1毫米，时间也会走快1000亿亿分之一，这再次以极高的精度证实了爱因斯坦百年前的预言。
宇宙中的时间并非像牛顿想的那样是绝对一致的，根据爱因斯坦的狭义相对论，时间在运动参照系中会变慢，这被称为时间膨胀效应。速度越接近光速，时间走得越慢，越接近于停止。除了速度之外，引力也会影响时间的流逝速率，这究竟是为什么呢？
引力我们都很熟悉，我们每个人都受到地心引力的作用，被束缚在地球表面。地球被太阳束缚住，不会游荡到星际空间中。同样地，太阳被银河系束缚住，不会流浪到星系际空间中。这些现象的背后都是引力在起作用。
17世纪，牛顿发现了万有引力定律，给出了引力公式，两个物体之间的引力正比于它们的质量之积，反比于它们之间距离的平方。万有引力定律成功解释了天体运动，并且还能预言第八大行星（海王星）的存在。
虽然万有引力定律取得了前所未有的成功，但却并不完美。作为太阳系最内侧的行星，水星在绕着太阳公转时，近日点会有明显的进动。水星每绕太阳转一圈，都不会回到原来的位置，前后两个恒星年的公转轨道无法完全重合。
根据观测结果，在100年的时间里，水星的近日点进动与万有引力定律预言的数值相差了43角秒。平心而论，这个偏差其实非常小，100年才差了0.01194度，差不多是1/84度，离1度还差得远。
但如此小的误差也说明，牛顿的万有引力定律存在缺陷，它并不是终极的引力理论。这个问题直到1915年，爱因斯坦完成广义相对论后，才得到完美解决。
爱因斯坦对引力的解释完全不同于牛顿，爱因斯坦不认为引力是一种纯粹的新引力，取而代之的是一种几何效应。根据广义相对论，物体甚至是能量都会让原本平直的'空间发生弯曲，物体在弯曲空间中运动，就有互相靠近的趋势，从而看起来就像是一种吸引力。
爱因斯坦的广义相对论完美地解释了水星问题，而且还预言了诸多未知的引力现象，包括引力透镜效应、引力波、黑洞、引力以光速传播，这些现象都在后来的观测中一一得到完美证实。
广义相对论预言，物体除了会让空间发生弯曲之外，还会让时间扭曲。在引力越强的地方，时间过得越慢，这就是引力时间膨胀效应，物理学家早已通过实验证实了这一预言。
1971年，物理学家把铯原子钟置于飞机上，让它与地面上的另一架铯原子钟进行对比。理论上，飞机在万米空中飞行时，距离地心更远，所受引力更弱，上面的时间应该过得更快。
即便考虑到飞机速度更快，时间会相对更慢，但最终还是引力时间膨胀效应占据上风。总体而言，飞机上的时间流逝速率会快于地面上，最终的实验结果证实了这一点，与广义相对论的预言完全吻合。
而根据这项最新研究，美国科罗拉多大学物理学家、中科院外籍院士叶军率领的研究团队，以前所未有的精度来验证广义相对论。通过激光冷却技术，物理学家利用锶原子研制出了光晶格钟，精度比此前提高了50倍。
物理学家把两个光晶格钟放置在不同的高度，相差仅仅只有1毫米。实验结果表明，高度更高的原子钟走快了0.0000000000000000001，也就是1000亿亿分之一（1/10^19），这与广义相对论的预言完全符合。
在生活中，如此小的时间差异我们不可能感知出来，而且也毫无意义。但在高精尖的航天领域，爱因斯坦的相对论将会大显神通，必须要考虑相对论效应带来的影响。
以运行在地球同步轨道上的导航卫星为例，根据相对论，那里的时间每天会比地面上走快38微秒。虽然只有0.000038秒的误差，但由于信号以光速传播，累计一天后，定位误差可以超过10公里。因此，相对论效应其实关乎到我们的日常生活。
如果未来人类能够制造出虫洞，实现星际飞行，去到拥有极端引力的天体附近，比如黑洞，那么，太空旅行者的时间将会被大幅度放慢，越接近黑洞表面，时间越趋于静止。
如果太空旅行者在黑洞附近过一个月，然后再返回地球，这时会发现地球上的时间已经过了很多年，有可能是成百上千年之后。当时出发时的那些地球亲友都可能早已不在，而对于太空旅行者来说，时间才过了一个月，他们与当时并没有什么变化。
