上海交大校友驗證愛因斯坦理論，今天葉軍團隊發表在Nature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，上海交大校友驗證愛因斯坦理論。
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美國科羅拉多大學天體物理聯合實驗室(JILA)物理學家、上海交通大學校友葉軍帶領團隊，首次在毫米尺度驗證愛因斯坦廣義相對論。
根據廣義相對論，在引力場中不同高度的原子鐘以不同的速度轉動。當在更強的引力下，更靠近地球的地方觀測時，原子振動的頻率會降低——向電磁波譜的紅端移動，這種效應被稱爲引力紅移。也就是說，時鐘在海拔較低的地方走得更慢。
葉軍帶領的研究團隊以有史以來最小的尺度驗證了這一時間膨脹效應，表明兩個微小的原子鐘，相隔僅一毫米，也會以不同速度運轉。相關成果發表在2月17日的《自然》(Nature)期刊上，並榮登封面。
圖片來自《自然》(Nature)
團隊提出瞭如何使原子鐘比之前精確50倍的方法，並提供了一條可能揭示相對論和引力如何與量子力學相互作用的途徑，而量子力學是目前物理學研究中的一個主要難題。
“最重要和最令人激動的成果是，我們有可能將量子物理和引力聯繫起來，例如，當粒子分佈在彎曲時空的不同位置時來探測複雜的物理學。”葉軍說，“在計時方面，成果還表明，使如今的時鐘再精確50倍，沒有任何障礙——這是一個奇妙的消息。”
愛因斯坦1915年提出的廣義相對論揭示了諸如對時間的引力效應，並具有重要的實際應用，如糾正GPS衛星測量。儘管這個理論已存在一個多世紀，物理學家仍對它着迷。多年來，美國國家標準與技術研究所(NIST)的科學家已利用原子鐘越來越精確地測量相對論。例如，NIST物理學家2010年通過比較2個相距33釐米的原子鐘來驗證廣義相對論。
JILA實驗室則由美國國家標準與技術研究所(NIST)和科羅拉多大學博爾德分校聯合運營。
在本次實驗中，葉軍團隊主要利用光學晶格時鐘進行研究。團隊先用6束激光將10萬個鍶原子逐步冷卻，最後用紅外激光將鍶原子維持在超冷狀態，並裝載在一個光學晶格中。晶格可以想象成由激光束產生的一疊煎餅，這種設計減少了由光和原子散射引起的晶格扭曲，使樣品均勻化，並擴展了原子的物質波。原子的能量狀態控制得很好，創下了量子相干時間37秒的紀錄。
研究人員在這一小片鍶原子雲中測量了時間膨脹效應，圖片來自NIST
提升精度至關重要的，是該團隊創新的新成像方法。這種方法能提供整個樣本頻率分佈的微觀圖，從而能夠比較一個原子團的兩個區域，而不是沿用兩個獨立原子鐘的傳統方法。
通過原子團測量到的紅移很小，在0.000000000000001的範圍內，也就是一千億億分之一。雖然這一微小的尺度，人類無法直接感知，但這些差異加在一起對宇宙以及GPS等技術產生了重大影響。研究團隊利用約30分鐘的平均數據解決這一問題。經過90小時的數據處理後，測量精度比以往任何時鐘都要高出50倍。
相隔1毫米的原子鐘時間差一千億億分之一，圖片來自論文
“這是一場全新的比賽，一種可以在彎曲時空中探索量子力學的新方法，”葉軍表示，“如果我們能測量比這更精確10倍的引力紅移，我們就能看到穿越時空曲率的原子整個物質波。例如，在如此微小的尺度上測量時差，可以使我們發現引力會破壞量子相干性，這可能是我們的宏觀世界（依舊）是經典物理學世界的根本原因。”
更精準的時鐘除了用於計時和導航外，還有更多用途。葉軍認爲，原子鐘既可以作爲顯微鏡來觀察量子力學和引力之間的微小聯繫，也可以作爲望遠鏡來觀察宇宙的最深處。他正運用原子鐘尋找神祕的暗物質，科學家相信暗物質構成了宇宙中的大部分物質。原子鐘還可通過“相對論測地學”(relativistic geodesy)，進一步測量地球形狀並改善模型。
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根據頂級科學期刊《自然》（Nature）發表的一篇封面論文[1]，物理學家通過極爲精確的原子鐘發現，高度僅僅高了1毫米，時間也會走快1000億億分之一，這再次以極高的精度證實了愛因斯坦百年前的預言。
宇宙中的時間並非像牛頓想的那樣是絕對一致的，根據愛因斯坦的狹義相對論，時間在運動參照系中會變慢，這被稱爲時間膨脹效應。速度越接近光速，時間走得越慢，越接近於停止。除了速度之外，引力也會影響時間的流逝速率，這究竟是爲什麼呢？
引力我們都很熟悉，我們每個人都受到地心引力的作用，被束縛在地球表面。地球被太陽束縛住，不會遊蕩到星際空間中。同樣地，太陽被銀河系束縛住，不會流浪到星系際空間中。這些現象的背後都是引力在起作用。
17世紀，牛頓發現了萬有引力定律，給出了引力公式，兩個物體之間的引力正比於它們的質量之積，反比於它們之間距離的平方。萬有引力定律成功解釋了天體運動，並且還能預言第八大行星（海王星）的存在。
雖然萬有引力定律取得了前所未有的成功，但卻並不完美。作爲太陽系最內側的行星，水星在繞着太陽公轉時，近日點會有明顯的進動。水星每繞太陽轉一圈，都不會回到原來的位置，前後兩個恆星年的公轉軌道無法完全重合。
根據觀測結果，在100年的時間裏，水星的近日點進動與萬有引力定律預言的數值相差了43角秒。平心而論，這個偏差其實非常小，100年才差了0.01194度，差不多是1/84度，離1度還差得遠。
但如此小的誤差也說明，牛頓的萬有引力定律存在缺陷，它並不是終極的引力理論。這個問題直到1915年，愛因斯坦完成廣義相對論後，纔得到完美解決。
愛因斯坦對引力的解釋完全不同於牛頓，愛因斯坦不認爲引力是一種純粹的新引力，取而代之的是一種幾何效應。根據廣義相對論，物體甚至是能量都會讓原本平直的'空間發生彎曲，物體在彎曲空間中運動，就有互相靠近的趨勢，從而看起來就像是一種吸引力。
愛因斯坦的廣義相對論完美地解釋了水星問題，而且還預言了諸多未知的引力現象，包括引力透鏡效應、引力波、黑洞、引力以光速傳播，這些現象都在後來的觀測中一一得到完美證實。
廣義相對論預言，物體除了會讓空間發生彎曲之外，還會讓時間扭曲。在引力越強的地方，時間過得越慢，這就是引力時間膨脹效應，物理學家早已通過實驗證實了這一預言。
1971年，物理學家把銫原子鐘置於飛機上，讓它與地面上的另一架銫原子鐘進行對比。理論上，飛機在萬米空中飛行時，距離地心更遠，所受引力更弱，上面的時間應該過得更快。
即便考慮到飛機速度更快，時間會相對更慢，但最終還是引力時間膨脹效應占據上風。總體而言，飛機上的時間流逝速率會快於地面上，最終的實驗結果證實了這一點，與廣義相對論的預言完全吻合。
而根據這項最新研究，美國科羅拉多大學物理學家、中科院外籍院士葉軍率領的研究團隊，以前所未有的精度來驗證廣義相對論。通過激光冷卻技術，物理學家利用鍶原子研製出了光晶格鍾，精度比此前提高了50倍。
物理學家把兩個光晶格鍾放置在不同的高度，相差僅僅只有1毫米。實驗結果表明，高度更高的原子鐘走快了0.0000000000000000001，也就是1000億億分之一（1/10^19），這與廣義相對論的預言完全符合。
在生活中，如此小的時間差異我們不可能感知出來，而且也毫無意義。但在高精尖的航天領域，愛因斯坦的相對論將會大顯神通，必須要考慮相對論效應帶來的影響。
以運行在地球同步軌道上的導航衛星爲例，根據相對論，那裏的時間每天會比地面上走快38微秒。雖然只有0.000038秒的誤差，但由於信號以光速傳播，累計一天後，定位誤差可以超過10公里。因此，相對論效應其實關乎到我們的日常生活。
如果未來人類能夠製造出蟲洞，實現星際飛行，去到擁有極端引力的天體附近，比如黑洞，那麼，太空旅行者的時間將會被大幅度放慢，越接近黑洞表面，時間越趨於靜止。
如果太空旅行者在黑洞附近過一個月，然後再返回地球，這時會發現地球上的時間已經過了很多年，有可能是成百上千年之後。當時出發時的那些地球親友都可能早已不在，而對於太空旅行者來說，時間才過了一個月，他們與當時並沒有什麼變化。
