在爱因斯坦的广义相对论中，引力是时空曲率的一种表现形式。其中一个被广义相对论所预测的现象是相对论的时间膨胀，即当时钟被放在引力场的不同位置、或以不同速度移动时，这个时钟将以不同的速率滴答作响。这一现象已被大量的实验所证实。在适当的条件下，时间膨胀可以影响量子波的相位，这可以通过干涉实验测量。
斯坦福大学的Overstreet等人在原子喷泉实验中观测到了这一现象，相应的工作于1月13日发表在《科学》杂志上。在该研究中，他们利用高灵敏度原子干涉仪来测量原子波包之间的相位移动，从而达到测量时间膨胀的目的。实验中所搭建的单源梯度仪，在每次发射原子时，其重力梯度分辨率可以达到5×10-10/s2（差分加速分辨率为1.1×10-11g，在70次发射后可达1.4×10-12g），为地基重力梯度仪设定了新的标准。该结果是首次观察到重力相移，该相移本质上与测试粒子的质量成正比。
在量子力学中，微观粒子可以表现为波，每个粒子都可以看作一个“波包”。作用在波包上的力可以改变这个波包的传播，这与经典力学中改变粒子的轨迹是一样的。然而，势能的均匀变化可以在不影响其轨迹的情况下改变波包的相位——这是一种没有经典对应的现象。为了观测这种量子效应，在20世纪50年代，Aharonov和Bohm构想了一个用带电粒子进行干涉测量的实验。从那时起，人们已经在电磁场中实现了这样的实验。相比之下，对弱得多的引力相互作用进行类似的测量仍然是相当困难的。而具有极高灵敏度的原子干涉仪为观测相对论的时间膨胀效应带来了曙光。
该团队创建的原子喷泉装置是由一个10米高的塔组成，其中有一根真空管道，塔顶处则放置了一块大质量的钨。铷原子在10米真空管道底部垂直发射，然后自由下落到底部。在此期间，三束短激光脉冲被作用到原子上，它们分别会分离原子波包、改变其传播方向和重新组合波包，这类似于光栅的作用。因此，同时处于量子叠加态的每一个原子都具有两条不同的运动轨迹，这两条轨迹有时被称为原子干涉仪的上臂和下臂。同时，原子波包在沿这两臂传播所引起的相位差也可以从干涉信号中读取出来。
这些相位改变由两个因素决定。一个对应于波包的传播。相位改变正比于波包沿每一个臂传播的固有时间，这个时间可以通过理想时钟测量到。在实验上，由于大质量钨块的存在和足够大的臂间距离，这就导致原子经过上臂和下臂时所感受到的引力差别巨大，从而使得原子经过这两臂的固有时间会有差别。另一个因素与激光脉冲有关。当波包被激光脉冲衍射时，波包不仅会受到动量冲击，其相位也会发生改变，这与其相对于光栅波前的位置有关。
使用物质波干涉的方法测量引力时间膨胀是引力量子力学的重要一步。在该实验中实现的超高灵敏度的原子干涉仪，在未来可能用于测量牛顿引力常数——它将引力相互作用的强度参数化，是迄今为止已知的最不准确的基本常数之一。
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6854
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