图 1JILA 研究人员测量了这个微小的锶原子云中的时间膨胀，或原子钟的滴答率如何随海拔变化。

JILA物理学家测量了阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，或者更具体地说，称为时间膨胀的效应，在有史以来最小的尺度上，表明两个微小的原子钟，相隔一毫米或一个锋利的铅笔尖的宽度，以不同的速率滴答作响。

这些实验在2月17日的《自然》杂志上进行了描述，提出了如何使原子钟比当今最好的设计精确50倍，并提供了一条揭示相对论和引力如何与量子力学相互作用的途径，量子力学是物理学中的一个主要难题。（参考链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7）

“最重要和最令人兴奋的结果是，我们可以潜在地将量子物理学与重力联系起来，例如，当粒子分布在弯曲时空的不同位置时，探索复杂的物理学，”NIST/JILA 研究员Jun Ye说。“一个好消息是，它可以让时钟比现在精确 50 倍。”

爱因斯坦 1915 年的广义相对论解释了诸如引力对时间的影响等大尺度效应，并具有重要的实际应用，例如校正 GPS 卫星测量。尽管该理论已有一个多世纪的历史，但物理学家仍然对它着迷。NIST 的科学家们使用原子钟作为传感器来越来越精确地测量相对论，这可能有助于最终解释其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率滴答作响。当在更靠近地球的更强重力下观察时，原子辐射的频率会降低——移向电磁光谱的红色端。也就是说，时钟在低海拔处走得更慢。这种效果已被反复证明；例如，NIST 的物理学家在 2010 年通过比较两个独立的原子钟来测量它，一个原子钟位于另一个原子钟上方 33 厘米（约 1 英尺）处。

JILA 研究人员现在已经测量了加载到光学晶格中的大约 100,000 个超冷锶原子的单个样品的顶部和底部之间的频率变化，这是一个类似于该小组早期原子钟的实验室设置. 在这个新案例中，可以将晶格可视化为由激光束创建的一堆薄煎饼，它具有异常大、扁平、薄的蛋糕，并且它们是由比通常使用的强度更低的光形成的。这种设计减少了通常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，其形状表明在某些位置找到原子的概率。原子的能态控制得非常好，以至于它们都在两个能级之间精确一致地滴答作响，持续了 37 秒，这是所谓的量子相干性的记录。

对新结果至关重要的是Jun Ye小组的成像创新，它提供了整个样本的频率分布的微观图，以及他们比较原子云的两个区域的方法，而不是使用两个独立时钟的传统方法。

测量到的穿过原子云的红移很小，在 0.0000000000000000001 的范围内，与预测一致。（虽然对于人类来说太小了，无法直接感知，但这些差异加起来会对宇宙以及 GPS 等技术产生重大影响。）研究小组在大约 30 分钟的平均数据中迅速解决了此类实验的这种差异。 经过 90 小时的数据分析，他们的测量精度比之前的任何时钟比较都要好 50 倍。

“这是一个全新的局面，一个可以探索弯曲时空量子力学的新机制，”Jun Ye说。“如果我们能比这更好地测量红移 10 倍，我们将能够看到原子的整个物质波穿越时空曲率。能够在如此微小的尺度上测量时差可以让我们发现，例如，引力会破坏量子相干性，这可能是我们宏观世界为什么是经典的根本原因。”

除了计时和导航之外，更好的原子钟还有许多可能的应用。Jun Ye建议原子钟既可以作为显微镜观察量子力学和引力之间的微小联系，也可以作为望远镜观察宇宙最深处的角落。他正在使用时钟寻找神秘的暗物质，据信暗物质构成了宇宙中的大部分物质。原子钟还准备通过应用一种称为相对论大地测量学的测量科学来改进模型和对地球形状的理解。

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