测量地球引力如何弯曲时间

你可能会认为叶军教授来自科幻小说:他和他在科罗拉多州的团队正在测量时空连续体本身的扭曲……

爱因斯坦的相对论认为，空间和时间是紧密交织在一起的，影响其中一个的事物也会影响另一个。例如，像地球这样的重物体使时空弯曲，形成引力场，使我们舒适地呆在地面上。虽然这听起来很奇怪，但事实上，广义相对论也预测引力场也会弯曲时间，并使时间变慢。

这也不仅仅是一个理论:用卫星甚至飞机进行的实验发现，当你上升时，重力会轻微减弱，时钟比在地面上走得快。

但是，为了测量这一点，我们需要非常精确的时间测量设备:原子钟。与使用钟摆和弹簧的传统时钟或利用石英振动的数字时钟不同，原子钟利用原子的能级来分割时间。在一个类似于钟摆的想法中，这些原子周围的电子在两个能量状态之间点击。通过微调激光，科学家可以探测到这两种状态之间的自然“摇摆时间”。由于摆动时间是恒定的:由量子力学规则决定，这让我们可以测量时间的流逝。

这就是科罗拉多大学的叶军教授和他的团队正在做的事情。但他们不是制造一个原子钟，而是在同一台机器上制造多个原子钟。他们的装置由一层又一层的锶原子组成，就像一叠煎饼，并对每一层进行单独的检测。因为地层层是垂直排列的，所以离地球近的地层层应该比高的地层层运行得慢。事实上，这就是科学家们所看到的。

真正令人惊讶的事实是，该团队能够如此精确地测量这种差异。原子层之间的距离不到1毫米，这意味着我们可以在微观空间分辨率下测量重力对时间膨胀的影响。为了说明这有多精确，顶部时钟每点击一秒钟，堆栈底部就会损失0.0000000000000000001秒。如果这个实验是在大爆炸时开始的，那么到现在它已经损失了不到十分之一秒。

在如此精细的尺度上测量重力为我们打开了许多大门。叶希望这项技术可以用于探测岩浆流和预测火山，帮助我们导航到火星，甚至探索暗物质的奥秘。

但也许更令人兴奋的是，随着建造比这个精确一百倍的时钟的努力(叶认为这可能在未来十年内实现)，我们可能能够测量引力和量子力学的相互作用。在这个尺度上，原子开始表现得更像波，但目前我们还没有很好地理解当波的一部分处于比另一部分更强的引力场中时会发生什么。叶教授希望，我们将开始能够通过测量时间来探索引力和量子力学的交集。

对于所有潜在的应用，它仍然是一个令人印象深刻的工程壮举。来自不同科学领域的技术在这个实验室里得到了整合，以测量地球是如何在最小的尺度上扭曲时间的。接下来会发生什么，只有时间能告诉我们答案……