In zijn speciale relativiteitstheorie, Einstein formuleerde de hypothese volgens welke de lichtsnelheid altijd hetzelfde is, wat de voorwaarden ook zijn. Het kan, echter, mogelijk is dat - volgens theoretische modellen van kwantumgravitatie - deze uniformiteit van ruimte-tijd niet van toepassing is op deeltjes. Natuurkundigen hebben deze hypothese nu getest met een eerste langetermijnvergelijking van twee optische ytterbiumklokken in de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Met deze klokken waarvan de fout slechts één seconde per tien miljard jaar bedraagt, het moet mogelijk zijn om zelfs extreem kleine afwijkingen van de beweging van de elektronen in ytterbium te meten. Maar de wetenschappers ontdekten geen verandering toen de klokken anders in de ruimte waren georiënteerd. Door dit resultaat is de stroomlimiet voor het testen van de ruimte-tijdsymmetrie door middel van experimenten is drastisch verbeterd met een factor 100. Daarnaast is de extreem kleine systematische meetonzekerheid van de optische ytterbiumklokken van minder dan 4 × 10 ^-18 is bevestigd. Het team bestaande uit natuurkundigen van PTB en van de Universiteit van Delaware heeft zijn resultaten gepubliceerd in het huidige nummer van: Natuur .

Het is een van de beroemdste natuurkundige experimenten in de geschiedenis:al in 1887, Michelson en Morley demonstreerden wat Einstein later uitdrukte in de vorm van een theorie. Met behulp van een roterende interferometer, ze vergeleken de lichtsnelheid langs twee optische assen die verticaal ten opzichte van elkaar lopen. Het resultaat van dit experiment werd een van de fundamentele uitspraken van Einsteins speciale relativiteitstheorie:de lichtsnelheid is in alle richtingen van de ruimte hetzelfde. Nu zou men kunnen vragen:is deze symmetrie van de ruimte (die naar Hendrik Antoon Lorentz is genoemd) ook van toepassing op de beweging van materiële deeltjes? Of zijn er richtingen waarlangs deze deeltjes sneller of langzamer bewegen terwijl de energie hetzelfde blijft? Vooral voor hoge energieën van de deeltjes, theoretische modellen van kwantumgravitatie voorspellen een schending van de Lorentz-symmetrie.

Nu is er een experiment uitgevoerd met twee atoomklokken om deze vraag met hoge nauwkeurigheid te onderzoeken. De frequenties van deze atoomklokken worden elk gecontroleerd door de resonantiefrequentie van een enkele Yb ⁺ ion dat in een val is opgeslagen. Terwijl de elektronen van de Yb ⁺ ionen hebben een sferische symmetrische verdeling in de grondtoestand, in de aangeslagen toestand vertonen ze een duidelijk langgerekte golffunctie en bewegen daarom voornamelijk langs één ruimtelijke richting. De oriëntatie van de golffunctie wordt bepaald door een magnetisch veld dat in de klok wordt aangelegd. De veldoriëntatie werd gekozen om ongeveer haaks op de twee klokken te staan. De klokken zijn stevig gemonteerd in een laboratorium en draaien één keer per dag (meer precies:één keer in 23.9345 uur) samen met de aarde ten opzichte van de vaste sterren. Als de snelheid van de elektronen afhing van de oriëntatie in de ruimte, dit zou dus resulteren in een frequentieverschil tussen de twee atoomklokken dat periodiek zou optreden, samen met de rotatie van de aarde.

Om een ​​dergelijk effect duidelijk te kunnen onderscheiden van eventuele technische invloeden, de frequenties van de Yb ⁺ klokken werden vergeleken voor meer dan 1000 uur. Tijdens het experiment, geen verandering tussen de twee klokken werd waargenomen voor het toegankelijke bereik van periodeduur van enkele minuten tot 80 uur. Voor de theoretische interpretatie en berekeningen betreffende de atomaire structuur van de Yb ⁺ ion, Het team van PTB werkte samen met theoretici van de University of Delaware (VS). De nu verkregen resultaten hebben geleid tot een verbetering van de limieten die in 2015 zijn gesteld door onderzoekers van de University of California, Berkeley met Ca ⁺ ionen drastisch met een factor 100.

Gemiddeld over de totale meettijd, beide klokken vertoonden een relatieve frequentieafwijking van minder dan 3 × 10 ^-18 . Dit bevestigt de gecombineerde onzekerheid van de klok die eerder werd geschat op 4 × 10 ^-18 . Verder, het is een belangrijke stap in de karakterisering van optische atoomklokken op dit nauwkeurigheidsniveau. Pas na ongeveer tien miljard jaar zouden deze klokken mogelijk een seconde van elkaar afwijken.