曾经，相对论测试需要相隔数千公里的精确时钟来完成。如今，光钟技术的发展令这种测试在尺寸不超过一毫米的原子团中就可以完成。
正如爱因斯坦在其广义相对论中所预测的那样，一个巨大质量物体的引力场会扭曲时空，这会导致时间在离物体越近时流逝越慢。这种现象被称为引力时间膨胀，而且这种效应是可以测量的——尤其是在像地球这样的巨大物体附近。
测量需要足够精确的时钟，而如今最精确的计时器是原子钟，它通过检测原子中两个量子态之间的跃迁来计时。最近，美国JILA实验室的Bothwell等人和威斯康星大学麦迪逊分校的Zheng等人分别报道了他们使用超冷锶原子团在原子钟稳定性方面取得的惊人进展。Bothwell和其同事甚至成功地测量了单个原子团中重力导致的时间膨胀效应，即引力红移。
1976年，NASA在其发射的重力探测（Gravity Probe A）卫星上，首次搭载了氢原子微波钟（作用与光钟类似），并执行了第一个敏感到足以测量引力红移的实验。重力探测卫星到达了地球表面上方10000公里的高度。在这个高度，以氢原子钟产生的高精度微波信号作为时钟，大约每73年将比地球上的等效时钟快一秒。重力探测卫星团队发现，卫星上的时钟与地球上时钟测量值在百万分之七十的精度上出现差异。虽然这看起来是一个非常微小的差异，但这个差异却会导致GPS导航系统计算错误的坐标。因此，在地球上方20000公里处卫星上的GPS时钟需要进行引力红移校正。
原子中用于实现原子钟的两个电子量子态之间的跃迁被称为钟跃迁，它们通常由激光的光波振荡实现激发。对于中性原子钟，大量原子可以被捕获在由正向和反向传播激光发生干涉形成的势阱中，称为光晶格。然后将原子暴露在特定波长的激光下，最终产生频率超稳定的电磁波。最先进的光钟可以在宇宙的整个生命周期内达到小于1秒的误差。
通过对实验条件的精细控制，有效地延长了原子系综可预测的量子特性持续时间，即量子相干时间，使光钟达到这种精确程度成为了可能。相干时间越长，时钟就越稳定和准确。2010年，NIST的研究表明，通过比较两个原子钟的高度，可以在不到一米的高度差内测量引力红移。威斯康星团队报道的进展改进了这一方法，而JILA团队则通过记录超冷锶原子团的相干时间成功将引力红移的测量高度差降至毫米以下。
JILA团队将锶原子捕获在一个光学晶格中，形成了一个沿重力方向定向的毫米级原子样品。他们成功地在原位对整个原子团进行了成像，采用了逐层光谱法，分辨率为6微米，对应于大约15个晶格格点。这种方法使他们能够减少实验误差，并在原子团中绘制原子跃迁频率图。测得的频率梯度与地球表面附近垂直分离的两个相同时钟的引力红移预测一致。为了在一个只有一毫米大小的原子团中检测红移，JILA团队需要测量的效应比重力探测卫星实验所测量的重力引起的频率偏移要小200亿倍。这是一个显著的飞跃，超越了之前在亚厘米尺度上对镱光学晶格钟的测量。
威斯康星团队也使用了被束缚在光学晶格中的锶原子团，但在这个实验中原子团被垂直分开了一厘米。他们展示了在这个系统中对多达六个锶原子团同时进行测量比较。更值得注意的是，他们发现这些组合可以由不同的同位素组成。这项工作是一项工程壮举，它提供了一种多通道复用的光学晶格时钟配置，能够记录高达26秒的量子相干时间，实现了非凡的时钟稳定性。他们通过同时诱导和测量多个原子团，将与激光相位和振幅相关的噪声影响降至最低。
尽管威斯康星团队取得了优异的量子相干时间和时钟稳定性，但在利用多路复用光学晶格时钟实现亚厘米级引力红移测量精度之前，仍然需要评估阻碍引力红移精确测量的因素。例如，即使条件保持不变，不同锶同位素的状态也可能不同。威斯康星团队在晶格中的设置条件不同，尚很难控制这对同位素行为的影响。
这两篇于2月16日发表在《自然》上的论文表明，自40多年前重力探测卫星首次发射以来，科学家们在提高原子钟稳定性和准确性方面的努力从未停止过。测量精度的提高为基于时钟的探测器和极其灵敏的量子传感器的开发提供了新的机会。
报道链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00379-x
论文链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7