手機(jī)版 | 網(wǎng)站導(dǎo)航
觀察家網(wǎng) 國際 >

廣義相對論有了迄今最高精度測量 子鐘將應(yīng)用于測量科學(xué)

科技日報(bào) | 2022-02-22 16:28:17

美國天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(JILA)的物理學(xué)家對愛因斯坦廣義相對論的時(shí)間膨脹效應(yīng)進(jìn)行了有史以來最小尺度的測量,結(jié)果表明,兩個(gè)相隔僅一毫米的微小原子鐘,確實(shí)以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。16日發(fā)表在《自然》雜志上的論文描述了這一實(shí)驗(yàn),并提出了如何使原子鐘比當(dāng)今最好的設(shè)計(jì)精確50倍的方法,或?yàn)榻沂鞠鄬φ摵鸵θ绾闻c量子力學(xué)相互作用提供了途徑。

愛因斯坦廣義相對論解釋了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu),如時(shí)間上的引力效應(yīng),具有修正GPS衛(wèi)星測量等重要的實(shí)際應(yīng)用。盡管這個(gè)理論已有一個(gè)多世紀(jì)的歷史,物理學(xué)家們?nèi)匀粚λ浴C绹鴩覙?biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院科學(xué)家已經(jīng)使用原子鐘作為傳感器,越來越精確地測量相對論,這可能有助于最終解釋相對論效應(yīng)如何與亞原子世界的“規(guī)則手冊”——量子力學(xué)相互作用。

根據(jù)廣義相對論,引力場中不同高度的原子鐘以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)在更靠近地球的更強(qiáng)引力下,原子輻射的頻率會(huì)降低,向電磁波譜的紅色端移動(dòng)。也就是說,時(shí)鐘在海拔較低的地方走得更慢,這種效應(yīng)已被反復(fù)證明。

JILA研究人員測量了單個(gè)樣品的頂部和底部之間的頻率偏移,這個(gè)樣品含有大約10萬個(gè)超冷鍶原子,裝載在一個(gè)光學(xué)晶格中,這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置類似于該團(tuán)隊(duì)早期的原子鐘。在這種情況下,晶格可被想象成由激光束產(chǎn)生的一疊煎餅,異常大、平且薄,是由比通常使用的較弱的光束形成的。這種設(shè)計(jì)減少了通常由光和原子散射引起的晶格畸變,使樣品均勻化,并擴(kuò)展了原子的物質(zhì)波,其形狀表明了在特定位置找到原子的概率。原子的能量狀態(tài)被控制得非常好,它們都在兩個(gè)能級之間精確地同步運(yùn)行了37秒,創(chuàng)下了所謂的量子相干性的紀(jì)錄。

通過原子云測量到的紅移很小,在0.0000000000000000001的范圍內(nèi),與預(yù)測一致。雖然這些差異太小以致人類無法直接感知,但這些差異累積起來對宇宙以及GPS等技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。在這類實(shí)驗(yàn)中,研究團(tuán)隊(duì)在大約30分鐘的平均數(shù)據(jù)中迅速解決了這一差異。經(jīng)過90小時(shí)的數(shù)據(jù)處理后,他們的測量精度比以前的任何時(shí)鐘都高出50倍。

研究人員表示,這是一種可以在彎曲時(shí)空中探索量子力學(xué)的新機(jī)制。而更精確的時(shí)鐘除了用于計(jì)時(shí)和導(dǎo)航之外,還有其他潛在用途:原子鐘既可以作為顯微鏡來觀察量子力學(xué)和引力之間的微小聯(lián)系,也可以作為望遠(yuǎn)鏡來觀察宇宙最深處的角落,如尋找神秘的暗物質(zhì);原子鐘還將應(yīng)用于測量科學(xué),改善我們對地球形狀的理解。

標(biāo)簽: 物理聯(lián)合 物理學(xué)家 原子鐘比 設(shè)計(jì)精確

  • 標(biāo)簽:物理聯(lián)合,物理學(xué)家,原子鐘比,設(shè)計(jì)精確

相關(guān)推薦