Door verschillende soorten atoomklokken op afstand te vergelijken, natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de meest nauwkeurige test ooit uitgevoerd van een sleutelprincipe dat ten grondslag ligt aan de beroemde algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, die beschrijft hoe zwaartekracht zich verhoudt tot ruimte en tijd.

Het NIST-resultaat, mogelijk gemaakt door voortdurende verbeteringen in 's werelds meest nauwkeurige atoomklokken, levert een laagterecord op, buitengewoon kleine waarde voor een hoeveelheid waarvan Einstein voorspelde dat deze nul zou zijn.

Zoals beschreven in a Natuurfysica paper online geplaatst op 4 juni NIST-onderzoekers gebruikten het zonnestelsel als een laboratorium voor het testen van Einsteins gedachte-experiment waarbij de aarde als een vrije vallende lift werd gebruikt. Einstein theoretiseerde dat alle objecten in zo'n lift met dezelfde snelheid zouden versnellen, alsof ze zich in een uniform zwaartekrachtveld bevonden - of helemaal geen zwaartekracht. Bovendien, hij voorspelde, de eigenschappen van deze objecten ten opzichte van elkaar zouden constant blijven tijdens de vrije val van de lift.

In hun experiment hebben het NIST-team beschouwde de aarde als een lift die door het zwaartekrachtveld van de zon viel. Ze vergeleken geregistreerde gegevens over de "tikken" van twee soorten atoomklokken over de hele wereld om aan te tonen dat ze gedurende 14 jaar synchroon bleven, zelfs als de zwaartekracht op de lift varieerde tijdens de enigszins afwijkende baan van de aarde rond de zon. Onderzoekers vergeleken gegevens van 1999 tot 2014 voor een totaal van 12 klokken - vier waterstofmasers (microgolflasers) op de NIST-tijdschaal met acht van de de meest nauwkeurige atoomklokken van cesiumfonteinen die worden beheerd door metrologische laboratoria in de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, Duitsland en Italië.

Het experiment was bedoeld om een ​​voorspelling van de algemene relativiteitstheorie te testen, het principe van lokale positie-invariantie (LPI), die dat in een vallende lift houdt, maatregelen van niet-zwaartekracht effecten zijn onafhankelijk van tijd en plaats. Een dergelijke meting vergelijkt de frequenties van elektromagnetische straling van atoomklokken op verschillende locaties. De onderzoekers beperkten de overtreding van LPI tot een waarde van 0,00000022 plus of min 0,00000025 - het meest minuscule getal tot nu toe, consistent met het voorspelde resultaat van de algemene relativiteitstheorie van nul, en komt overeen met geen overtreding. Dit betekent dat de verhouding van waterstof tot cesiumfrequenties hetzelfde bleef terwijl de klokken samen bewogen in de vallende lift.

Dit resultaat heeft vijf keer minder onzekerheid dan NIST's beste eerdere meting van de LPI-overtreding, wat zich vertaalt in vijf keer grotere gevoeligheid. Dat eerdere resultaat van 2007, uit een 7-jarige vergelijking van cesium- en waterstofatoomklokken, was 20 keer gevoeliger dan de vorige tests.

De nieuwste meetvooruitgang is te danken aan verbeteringen op verschillende gebieden, namelijk nauwkeuriger cesium fontein atoomklokken, betere processen voor tijdoverdracht (waardoor apparaten op verschillende locaties hun tijdsignalen kunnen vergelijken), en de nieuwste gegevens voor het berekenen van de positie en snelheid van de aarde in de ruimte, NIST's Bijunath Patla zei.

"Maar de belangrijkste reden dat we dit werk deden, was om te benadrukken hoe atoomklokken worden gebruikt om fundamentele fysica te testen; in het bijzonder, de basis van de algemene relativiteitstheorie, " zei Patla. "Dit is de claim die het vaakst wordt gemaakt wanneer klokkenmakers streven naar betere stabiliteit en nauwkeurigheid. We koppelen tests van de algemene relativiteitstheorie aan atoomklokken, let op de beperkingen van de huidige generatie klokken, en presenteren een toekomstperspectief voor hoe klokken van de volgende generatie zeer relevant zullen worden."

Het is onwaarschijnlijk dat verdere limieten op LPI worden verkregen met waterstof- en cesiumklokken, zeggen de onderzoekers, maar experimentele klokken van de volgende generatie gebaseerd op optische frequenties, die veel hoger zijn dan de frequenties van waterstof- en cesiumklokken, zou veel gevoeligere resultaten kunnen opleveren. NIST bedient al een aantal van deze klokken op basis van atomen zoals ytterbium en strontium.

Omdat zoveel wetenschappelijke theorieën en berekeningen met elkaar verweven zijn, NIST-onderzoekers gebruikten hun nieuwe waarde voor de LPI-schending om variaties in verschillende fundamentele "constanten" van de natuur te berekenen, fysieke grootheden waarvan wordt aangenomen dat ze universeel zijn en veel worden gebruikt in de natuurkunde. Hun resultaten voor de lichte quarkmassa waren de beste ooit, terwijl de resultaten voor de fijne structuurconstante overeenkwamen met eerder gerapporteerde waarden voor elk paar atomen.