Nature封面:只低一毫米,时间也会变慢!叶军团队首次在毫米尺度验证广义相对论...

856bf25ca8fb04c7a9b1bda7117493ae.png
来源:凹非寺
作者:晓查 明敏

你知道吗?在地球上,楼层越低,时间过得越慢。

这可不是玄学,而是爱因斯坦广义相对论预言的时间膨胀效应:引力越大,时间越慢。

d85366191e6e9802faa601dd313b342d.png

△ 在不同高度差上验证时钟变快(图片来自Nature)

今天Nature封面的一篇文章证明了,即使高度差只有一毫米,时间流逝的速度也不一样,这是迄今为止在最小尺度上验证广义相对论的实验。

1cbc048b0d4c98e2d1106c5b6e617814.png

该研究来自于美国科罗拉多大学JILA实验室的叶军团队。

他率团队开发出世界上最精确的原子钟,得出在一毫米高度差上,时间相差大约一千亿亿分之一,也就是大约3000亿年只相差1秒,与广义相对论预言一致。

这种由于引力不同造成的时间差叫做引力红移,虽然已经得到无数次验证,但是如此高精度的检测还是头一次。

引力改变光频率

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。

如果一束蓝光射向天空,在引力的作用下,就会向红色端移动,称之为“引力红移”。

448ebb925b0cb4fccd5264ac5c363fc5.png

虽然爱因斯坦早在1915年就预测了这种现象,但是这种“移动”非常小,直到1976年才有了第一次精确的实验验证。

当时科学家用火箭将原子钟送到1万公里的高空,发现它比海平面时钟快,大约73年快一秒。

dd9d237f0d07489028a75c08c5817151.png

△ 在不同高度差上验证时钟变快(图片来自Nature)

虽然这种差距身体无法感知,但却与我们的生活息息相关,因为GPS必须要修正这个极小的时间差才能精确定位。

几乎在12年前的同一天,来自UC伯克利的团队测量了高度差33厘米的两个原子钟的时间差。

现在叶军团队可以做到测量一个原子云内,原子气体上下两端的时间差,而二者之间高度只相差一毫米!

超精准的光晶格钟

为何叶军团队能做到如此精确?那是因为他们使用了一种更精确的时钟——光晶格钟(optical lattice clock)。

这套系统先用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。

由于激光的相干性,空间中会有周期出现能量较小的区域,从而将锶原子束缚在一个个煎饼形状的空间里。

6d7eb0d7b6e261aeede7738894461c48.gif

△ 光晶格钟原理(图片来自NIST)

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非常好,创下了所谓的量子相干时间37秒的纪录。

而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的频率分布的微观图。

003d4eb2007ee1a0679bb6119f101f89.png

这样,他们就可以比较一个原子团的两个区域,而不是使用两个独立原子钟的传统方法。

将锶原子冷却后,然后再用一束激光来激发它,将它的外层电子激发到更高的轨道上。

由于只有极小范围的激光频率可以激发电子,因此只要调节激光到恰好激发的频率并测量,就可以极其精确地测量时间。

2bce407add9d35e2cdb2cd259960e524.gif

△ 激光激发锶原子测量频率(图片来自NIST)

由于一毫米范围内的红移很小,大约只有0.0000000000000000001(别数了,总共19个0),为了能提高精度,研究团队用大约30分钟的平均数据解决此问题。

经过90小时的数据分析,他们的测量结果是9.8(2.3)×10-20mm-1,在误差范围内,与广义相对论符合得很好。

eb6e906ffbe95580453a3e02e7e59d24.png

连接量子力学和广义相对论

本项研究的通讯作者叶军表示,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。

由于引力红移,必须对GPS的原子钟做时间修正,时间修正越准确,也就意味着定位的精度可以越高。

而这对于物理学更是具有重大意义。

最让人兴奋的是,我们现在可以将量子力学和引力联系在一起了!

叶军表示,精确的原子钟将开启在弯曲时空中探索量子力学的可能,比如分布在弯曲时空中不同位置的粒子,是处于怎样的复杂物理状态。

而且,如果能够将目前的测量效果再提升10倍,研究团队就能看到穿过时空曲率时,原子的整个物质波。

也就意味着可以开始探索量子尺度下的引力效应。

加拿大滑铁卢大学理论物理学家Flaminia Giacomini也表示,原子钟是探索这一问题最有希望的系统之一。

4e6e0027921aff567376ce26eb108547.png

叶军表示:也许正是这种微小的频率差打破了量子相干性,才让宏观时间变得经典。

此外,原子钟还可以被应用在显微镜上,来观察量子力学和引力之间的微妙联系。同时也能被应用在天文望远镜上,来更加精确地观测宇宙。

事实上,叶军教授也正在用原子钟寻找神秘的暗物质。

甚至在大地测量学上,原子钟也能帮助研究人员更进一步精确测量地球、改进模型。

通讯作者叶军

最后,我们再来了解一下本项研究的通讯作者——叶军

叶军是美国科罗拉多大学物理系教授、美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学联合建立的实验天体物理实验室(JILA)研究院。

94d6d846dbed79c03376512edeec19ff.png

叶军本科毕业于上海交通大学应用物理系;博士毕业于科罗拉多大学,师从诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔。

自1999年开始,叶军在科罗拉多大学博尔德分校任教,在2008年霍尔退休后接手了实验室的管理工作。

2011年,叶军当选为美国国家科学院院士;2017年,当选为中国科学院外籍院士;2020年获得“墨子量子奖”,2021年获得科学突破奖基础物理学奖。

其主要研究领域为超冷原子-分子、精密测量、多体量子物理等。

2007年,叶军及研究团队做出了世界上首台“每7000万年仅误差1秒”的锶原子光钟。

61ad8c4b00a067491eaa635e30e29385.png

之后,他在这一领域不断刷新纪录。

2017年,其团队设计的新型原子钟,将锶原子装入微小的三维立方体中,密度较以前一维原子钟设计中锶原子的密度高出近1000倍,进一步提升原子钟测量精度。

2020年,叶军团队曾在3天内连发Nature、Science论文。

发表在Nature上的《Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature》中,其团队首次实现量子简并气体。

另一篇发表在Science的论文《Resonant collisional shielding of reactive molecules using electric fields》,则用量子力学理论解释了分子间的碰撞。

论文地址:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7

参考链接:
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-022-00379-x
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220216112213.htm
[3]https://www.quantamagazine.org/an-atomic-clock-promises-link-between-quantum-world-and-gravity-20211025/
[4]https://www.nist.gov/news-events/news/2022/02/jila-atomic-clocks-measure-einsteins-general-relativity-millimeter-scale
[5]https://news.berkeley.edu/2010/02/17/gravitational_redshift/

未来智能实验室的主要工作包括:建立AI智能系统智商评测体系,开展世界人工智能智商评测;开展互联网(城市)大脑研究计划,构建互联网(城市)大脑技术和企业图谱,为提升企业,行业与城市的智能水平服务。每日推荐范围未来科技发展趋势的学习型文章。目前线上平台已收藏上千篇精华前沿科技文章和报告。

  如果您对实验室的研究感兴趣,欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”

407234b5ac9d6ffd5fb4e4970c50c579.png

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/482533.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

SQL 与 ORACLE 的比较

最近参加了一个ORACLE的培训,ORACLE与平日惯用的SQL SERVER果然有很大不同,在网上搜索了一下转了这篇比较SQL与ORACLE的帖子,总体上感觉SQL SERVER使用更加便捷,人性化,在网上的资料支持很丰富ORACLE更加专家一些&…

DARPA可解释AI研究(XAI计划)的4年回顾与经验总结

来源:智源社区作者:David Gunning, Eric Vorm, Jennifer Yunyan Wang, Matt Turek编译:牛梦琳摘要:从项目管理人员和评估人员的角度,对国防高级研究计划局(DARPA)的可解释人工智能(X…

03.Mybatis优化

对动态代理方式的代码进行进一步优化: 1.将conf.xml文件中对数据库的配置信息以db.properties的形式抽离出来 drivercom.mysql.jdbc.Driver urljdbc:mysql://localhost:3306/person?serverTimezoneUTC usernameroot passwordroot <configuration><properties resourc…

​从ASML年报看半导体产业的未来

来源&#xff1a;半导体行业观察在前几天的文章《光刻机巨头ASML的十年变迁》中&#xff0c;笔者梳理了ASML近10年来的财报数据&#xff0c;介绍了其EUV/DUV光刻机出货量、年销售额、研发投入以及各地区的销售情况等。近日&#xff0c;ASML又公布了2021年年报&#xff0c;我们一…

04.MyBatis别名的设置和类型转换器

别名的设置:(别名不区分大小写): 设置单个别名: <configuration><properties resource"db.properties" /><typeAliases><!-- 设置单个别名 --><typeAlias type"com.offcn.entity.Person" alias"person"/><type…

史上首次,强化学习算法控制核聚变登上Nature:DeepMind让人造太阳向前一大步...

来源&#xff1a;机器之心过去三年&#xff0c;DeepMind 和瑞士洛桑联邦理工学院 EPFL 一直在进行一个神秘的项目&#xff1a;用强化学习控制核聚变反应堆内过热的等离子体&#xff0c;如今它已宣告成功。DeepMind研究科学家David Pfau在论文发表后感叹道&#xff1a;「为了分享…

Memcached 使用 及.NET客户端调用

memcached安装: 1 解压缩文件到c:\memcached 2 命令行输入 c:\memcached\memcached.exe -d install 3 命令行输入 c:\memcached\memcached.exe -d start &#xff0c;该命令启动 Memcached &#xff0c;默认监听端口为 11211 注&#xff1a; 如果出现如下错误 “ failed to in…

机器人流程自动化技术的新发展

来源&#xff1a;学习时报作者&#xff1a;李蕾蓬勃发展的数字经济&#xff0c;是全球新一轮科技进步的产物&#xff0c;直接受到新兴数字技术与智能技术的驱动。机器人流程自动化技术&#xff08;简称“RPA”&#xff09;&#xff0c;是近些年获得快速发展与广泛应用的重要智能…

运算符 优先级 结合性

&#xff23;语言的运算符可分为以下几类&#xff1a; 1. 算术运算符:用于各类数值运算。包括加()、减(-)、乘(*)、除(/)、求余(或称模运算&#xff0c;%)、自增()、自减(--)共七种。 2. 关系运算符:用于比较运算。包括大于(>)、小于(<)、等于()、 大于等于(&g…

05.MyBtais两种取值符号以及输入参数和输出参数

输入参数&#xff1a;parameterType 两种取值符号的异同 1.类型为简单类型(8个基本类型string) 不同点: a.#{任意值}&#xff0c;${value} 其中的标识符只能是value b. #{}自动给String类型加上单引号(‘’) (自动类型转换) ${} 原样输出&#xff0c;适合于动态排序 &#xff0…

论人工智能历史、现状与未来发展战略

来源&#xff1a;《学术前沿》作者&#xff1a;郭毅可人工智能问世60多年来&#xff0c;承载着人类对自己的智慧的无限自信。在这样的自信下&#xff0c;人工智能发展到了今天&#xff0c;人们在追求机器从事尽可能多的智力劳动的路上走得很快&#xff0c;也很远。今天人工智能…

PHP 开发者大会

PHPCON 2019 开发者大会(上海)2019.8.10-8-11 郭新华,和陈雷给我留下的影响很大 再看下天气,利奇马台风,都坐满了,来的都是真爱. Swoole 的韩天峰开始演讲,感觉是程序员标准的样子,哈哈哈 2345 的高旭 讲公司用swoole 的架构 鸟哥因为台风问题没来成,搞了个直播,哈哈哈,感觉很…

IEEE Fellow杨铮:打破「视觉」垄断,无线信号为 AI 开启「新感官」

来源&#xff1a;AI科技评论作者&#xff1a;陈彩娴编辑&#xff1a;岑峰2020年年初疫情刚开始时&#xff0c;清华大学的官方号曾祭出一篇题为《清华教师升级「十大神器」&#xff0c;上课力满格》的推文&#xff0c;讲述了软件学院某老师如何居家办公、探索出一套防止学生偷懒…

对于量子计算来说,99%的准确度足够吗?

UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES来源&#xff1a;IEEE电气电子工程师来自荷兰代尔夫特理工大学&#xff08;Delft University of Technology&#xff09;、日本理化学研究所&#xff08;Riken&#xff09;和悉尼新南威尔士大学&#xff08;UNSW&#xff09;的研究团队在硅中开发…

JavaScript每日学习日记(1)

8.11.2019 1. lastIndexOf() 方法从尾到头进行检索。 2. 有三种提取部分字符串的方法&#xff1a; 2.1 slice(start, end) 如果某个参数为负&#xff0c;则从字符串的结尾开始计数。如果省略第二个参数&#xff0c;则该方法将裁剪字符串的剩余部分。 2.2 substring(start, end…

人工智能将如何改变芯片设计

来源&#xff1a;ScienceAI编译&#xff1a;绿萝摩尔定律的终结正在逼近。工程师和设计师只能将晶体管小型化并尽可能多地封装到芯片中。因此&#xff0c;他们正在转向其他芯片设计方法&#xff0c;将 AI 等技术融入到设计过程中。例如&#xff0c;三星正在将人工智能添加到其内…

网络编程 总结

软件开发架构 c/s client/server b/s broswer/server ps:b/s本质上也是c/s架构 OSI七层协议 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理连接层 物理连接层 传输二进制的数据 数据链路层(以太网协议) 1.规定了二进制数据的分组依据 2.规定了每台计算机都必须有一块网…

计算机科学家证明,为什么更大的神经网络可以做得更好

来源&#xff1a;ScienceAI编辑&#xff1a;萝卜皮我们的物种很大程度上归功于对生的拇指。但如果进化给了我们额外的拇指&#xff0c;事情可能不会有太大改善。每只手一个拇指就足够了。神经网络并非如此&#xff0c;这是执行类人任务的领先人工智能系统。随着他们变得更大&am…

解决安装IIS时提示找不到zClientm.exe文件的问题

今天在安装IIS出现找不到zClientm.exe文件&#xff0c;还以为是下载IIS有问题&#xff0c;头大了。以下是解决方案。在组件安装向导中顺着[附件和工具]--[游戏]一路点击下去,惊喜地发现里面有一栏[Internet游戏]&#xff0c;把勾去掉&#xff0c;重新安装IIS就OK。但是有网友提…

生命,到底是什么?

来源&#xff1a;腾讯研究院作者&#xff1a;Mark A. Bedua译者&#xff1a;宋词、范星辰令人着迷的生命地球表面布满了生命&#xff0c;而且通常很容易辨认。猫、胡萝卜、细菌都是活的&#xff0c;桥、肥皂泡、沙粒都是死的。但众所周知&#xff0c;生物学家们却没有关于生命的…