叶军校友团队成果登上Nature封面：首次在毫米尺度验证广义相对论

近日，1989届应用物理学专业本科（首届85级试点班）校友叶军团队首次在毫米尺度验证爱因斯坦广义相对论，相关成果登上《自然》封面。

只差一毫米，时间流逝速度也会不同！

广义相对论指出，引力场越强，时间就越慢，从而改变电磁波的频率。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。爱因斯坦早在1915年就预测了这种现象，但是这种“移动”非常小，虽然这种差距身体无法感知，但却有重要的实际应用，如纠正GPS卫星测量。叶军团队通过使用更精确的时钟——光晶格钟（optical lattice clock）与创新的成像方法，做到测量一个原子云内原子气体上下两端的时间差，二者之间高度只相差一毫米[Nature 602, 420–424 (2022)]。

叶军团队先用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。

光晶格钟原理 | 图源：NIST

对提高精度至关重要的，是叶军团队开发的新成像方法，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。通过原子团测量到的红移很小，在一千亿亿分之一的范围内。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 | 图源：论文

叶军表示，此次突破可以把时钟的精确度提升50倍，这有望提高GPS的精确度，并且对于物理学也具有重大意义，精确的原子钟将开启在弯曲时空中探索量子力学的可能，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，更精准的时钟还有更多用途。叶军认为，原子钟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。此外原子钟还可通过“相对论测地学”，进一步测量地球形状并改善模型。

【校友名片】

叶军，1989届应用物理学专业本科校友（首届1985级试点班），物理学家，美国国家科学院院士，中国科学院外籍院士。现任职于美国科罗拉多大学博尔德分校、国家标准与技术研究所。主要从事超冷原子-分子、精密测量、多体量子物理、激光技术等领域研究。2011年当选为美国国家科学院院士，2017年11月当选中国科学院外籍院士，获2020年度“墨子量子奖”。2013年11月，叶军曾到访母校，开展两场关于物理学研究和自身科研经历的讲座；2015年11月，曾受邀作客学校“大师讲坛”，演讲主题正是关于世界最先进原子钟的制造。

致谢：上海交通大学物理与天文学院、致远学院

来源：PaperRSS、FUTURE远见等