频率偏移

深蓝色的畅想

爱因斯坦广义相对论解释了宇宙的大尺度结构，如时间上的引力效应，具有修正GPS卫星测量等重要的实际应用。尽管这个理论已有一个多世纪的历史，物理学家们仍然对它着迷。美国国家标准与技术研究院科学家已经使用原子钟作为传感器，越来越精确地测量相对论，这可能有助于最终解释相对论效应如何与亚原子世界的“规则手册”——量子力学相互作用。

根据广义相对论，引力场中不同高度的原子钟以不同的速度运转。当在更靠近地球的更强引力下，原子辐射的频率会降低，向电磁波谱的红色端移动。也就是说，时钟在海拔较低的地方走得更慢，这种效应已被反复证明。

JILA研究人员测量了单个样品的顶部和底部之间的频率偏移，这个样品含有大约10万个超冷锶原子，装载在一个光学晶格中，这个实验室的设置类似于该团队早期的原子钟。在这种情况下，晶格可被想象成由激光束产生的一叠煎饼，异常大、平且薄，是由比通常使用的较弱的光束形成的。这种设计减少了通常由光和原子散射引起的晶格畸变，使样品均匀化，并扩展了原子的物质波，其形状表明了在特定位置找到原子的概率。原子的能量状态被控制得非常好，它们都在两个能级之间精确地同步运行了37秒，创下了所谓的量子相干性的纪录。

通过原子云测量到的红移很小，在0.0000000000000000001的范围内，与预测一致。虽然这些差异太小以致人类无法直接感知，但这些差异累积起来对宇宙以及GPS等技术产生了重大影响。在这类实验中，研究团队在大约30分钟的平均数据中迅速解决了这一差异。经过90小时的数据处理后，他们的测量精度比以前的任何时钟都高出50倍。

研究人员表示，这是一种可以在弯曲时空中探索量子力学的新机制。而更精确的时钟除了用于计时和导航之外，还有其他潜在用途：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最深处的角落，如寻找神秘的暗物质；原子钟还将应用于测量科学，改善我们对地球形状的理解。