日本國立理化研究所（Institute of Physical and Chemical Research，RIKEN） 的科學(xué)家利用兩個超精密光學(xué)晶格原子鐘，分別放在東京晴空塔的基座和450 m高的天文臺上，對廣義相對論所預(yù)測的時間膨脹效應(yīng)進(jìn)行了最新的超精確測量。

    東京晴空塔（英語：Tokyo Skytree），也譯稱東京天空樹或新東京鐵塔，是位于日本東京的電波塔，其高度為634 m，于2011年11月17日獲得吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)證為“世界第一高塔”，成為全世界最高的塔式建筑之一。

日本東京晴空塔

    廣義相對論的時間膨脹概念可描述為，質(zhì)量極其大的物體，其引力場可導(dǎo)致時空扭曲，時間在較大的引力場中比在較小的引力場中要慢。這意味著時間在晴空塔底部比頂部稍慢一些。由于這種時間變化差異非常小，實(shí)際測量具有一定困難。因此，對相對論進(jìn)行嚴(yán)格的測試需要非常精確的時鐘或一定的高度差。

    迄今為止，最理想的測量方法有兩種，一種是使用大型復(fù)雜的時鐘。這種光學(xué)晶格原子鐘是以光學(xué)頻率梳技術(shù)為基礎(chǔ)的高準(zhǔn)確度時鐘。例如RIKEN小組開發(fā)的時鐘，它可以測量大約1 cm的高度差。另一種是在實(shí)驗室外，由高度相差數(shù)千公里的衛(wèi)星完成測試。上述空間實(shí)驗已將廣義相對論的驗證實(shí)驗精度限制在0.00003%左右，這是極其高的精確度，可以從本質(zhì)上證明廣義相對論的正確性。

    此次晴空塔實(shí)驗用到的原子鐘是一種新開發(fā)的可移動光學(xué)晶格鐘，可以在地面上完成精確的相對論測量。但是，其最終應(yīng)用目的不限于證明相對論的正確與否。

RIKEN和東京大學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)者Kathi Hidetoshi Katori表示，超精密時鐘的另一個主要應(yīng)用是通過重力來感知和利用時空的曲率。利用這種時空彎曲，時鐘可以區(qū)分出高度的微小差異，從而測量活火山或地殼變形等地表膨脹，或作為一種高精度的高度標(biāo)定的參考。

    此次晴空塔實(shí)驗證明這種可移動設(shè)備能在實(shí)驗室外的任何地方進(jìn)行如此精確的測量，這是超精密時鐘制造技術(shù)的一大進(jìn)步。

設(shè)計該光學(xué)晶格鐘的關(guān)鍵是如何將其小型化，并使其面對環(huán)境噪聲，例如溫度變化，振動和電磁場時具有優(yōu)良的穩(wěn)健性。研究人員將每個時鐘都封裝在一個磁屏蔽盒中，邊長約60 cm。各種激光設(shè)備和電子控制器都裝在兩個可機(jī)架安裝的盒子中，用于捕獲和解析限制在晶格中的原子。兩個時鐘通過光纖連接以測量拍信號，還包括激光測距和重力測量，用于獨(dú)立評估兩個時鐘的重力場差異。

    未來，該小組計劃將該光學(xué)原子鐘用于地表監(jiān)測，使用相距數(shù)百千米的時鐘精密監(jiān)測地面長期的上升和下降。

原文鏈接：《在東京晴空塔上再次驗證廣義相對論》

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