探索量子力学和广义相对论间的相互作用

在物理学中， 量子力学 描述了微观粒子的行为，而 广义相对论 则支配着宏观的宇宙。这两个理论都极其成功，但物理学家一直希望能够找到一个可以将它们合二为一的终极理论。

在一项新发表在《物理评论快报》上的研究中，一个国际研究团队利用 光晶格钟 （optical lattice clock） ，探测了广义相对论效应在量子系统中的作用。

光晶格钟与引力红移

光晶格钟是当今最精确的计时设备之一 。光晶格钟的核心是使用一组超冷的激光冷却原子，并将其限制在名为光学晶格的周期性激光陷阱中。

而与此同时，根据 爱因斯坦 的 广义相对论 ，时间在引力场较强的区域，流逝得更慢 。 这一现象被称为 引力红移 ，它会导致原子内部的能级发生微小变化 （这种变化取决于原子在引力场中的位置） ，从而影响 时间的“滴答”，即在光晶格钟中定义时间的振荡。

如此一来，通过测量光晶格钟的振荡频率的微小变化，就应该能够探索相对论对量子系统的影响。

虽然相对论效应在单个原子上的影响已经被很好地理解，但在多体量子系统中，相对论效应的作用仍然很少被探索。在多体量子系统中，原子可以相互作用并纠缠在一起。

区分引力效应

在新的研究中，研究人员首先面临的挑战便是：在光晶格钟中，如何区分引力效应与其他微小扰动的影响？为此，他们采用了一种名为“修整协议” （dressing protocol） 的技术，即利用激光操控粒子的内部量子态。这一技术虽是量子光学中的标准工具，却是首次被用于微调引力效应。而这种可调性是基于著名的 质能等价 （E=mc²） ，这意味着粒子内部能量的变化会微妙地改变其质量。

基于这一机制，处于激发态的原子的质量会略大于处于基态的原子。 引力势能的质量差， 等价于引力红移。因此， 研究人员可以通过调整原子的基态和激发态的 叠加态 ，人为控制并精确调节引力红移的影响，从而成功区分了广义相对论效应与其他影响 （如磁场梯度） 。

同步与纠缠