NIST atomur sammenligning bekræfter centrale antagelser af Einsteins elevator

Ved at sammenligne forskellige typer fjerntliggende atomure, fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udført den mest nøjagtige test nogensinde af et nøgleprincip, der ligger til grund for Albert Einsteins berømte teori om generel relativitet. som beskriver, hvordan tyngdekraften forholder sig til rum og tid.

NIST-resultatet, muliggjort af løbende forbedringer i verdens mest nøjagtige atomure, giver et rekordlavt udbytte, overordentlig lille værdi for en mængde, som Einstein forudsagde at være nul.

Som beskrevet i a Naturfysik papir lagt online 4. juni, NIST-forskere brugte solsystemet som et laboratorium til at teste Einsteins tankeeksperiment, der involverede Jorden som en fritfaldende elevator. Einstein teoretiserede, at alle objekter placeret i en sådan elevator ville accelerere med samme hastighed, som om de var i et ensartet tyngdefelt - eller slet ingen tyngdekraft. I øvrigt, han forudsagde, disse genstandes egenskaber i forhold til hinanden ville forblive konstante under elevatorens frie fald.

I deres eksperiment, NIST-holdet betragtede Jorden som en elevator, der falder gennem Solens gravitationsfelt. De sammenlignede registrerede data om "tikken" af to typer atomure rundt om i verden for at vise, at de forblev synkroniserede over 14 år, selv om tyngdekraften på elevatoren varierede under Jordens lidt off-kilter bane omkring solen. Forskere sammenlignede data fra 1999 til 2014 for i alt 12 ure – fire brintmasere (mikrobølgelasere) i NIST tidsskalaen med otte af de mest nøjagtige cæsiumfontæne atomure drevet af metrologilaboratorier i USA, Det Forenede Kongerige, Frankrig, Tyskland og Italien.

Eksperimentet var designet til at teste en forudsigelse af generel relativitetsteori, princippet om lokal positionsinvarians (LPI), som holder det i en faldende elevator, mål for ikke-gravitationelle effekter er uafhængige af tid og sted. En sådan måling sammenligner frekvenserne af elektromagnetisk stråling fra atomure på forskellige steder. Forskerne begrænsede overtrædelsen af ​​LPI til en værdi på 0,00000022 plus eller minus 0,00000025 - det mest minimale tal endnu, i overensstemmelse med generel relativitets forudsagte resultat på nul, og svarende til ingen overtrædelse. Dette betyder, at forholdet mellem brint og cæsium frekvenser forblev det samme, da urene bevægede sig sammen i den faldende elevator.

Dette resultat har fem gange mindre usikkerhed end NISTs bedste tidligere måling af LPI-overtrædelsen, oversat til fem gange større følsomhed. Resultatet fra tidligere 2007, fra en 7-års sammenligning af cæsium og brint atomure, var 20 gange mere følsom end de tidligere tests.

Det seneste fremskridt i måling skyldes forbedringer på flere områder, bl. nemlig mere nøjagtige cæsiumfontæne atomure, bedre tidsoverførselsprocesser (som gør det muligt for enheder på forskellige steder at sammenligne deres tidssignaler), og de seneste data til beregning af Jordens position og hastighed i rummet, NISTs Bijunath Patla sagde.

"Men hovedårsagen til, at vi udførte dette arbejde, var at fremhæve, hvordan atomure bruges til at teste grundlæggende fysik; især, grundlaget for generel relativitetsteori, " sagde Patla. "Dette er den påstand, der oftest fremsættes, når urmagere stræber efter bedre stabilitet og nøjagtighed. Vi binder test af generel relativitet sammen med atomure, Bemærk begrænsningerne for den nuværende generation af ure, og præsentere et fremtidsudsigt for, hvordan næste generations ure vil blive meget relevante."

Det er usandsynligt, at yderligere grænser for LPI opnås ved brug af brint- og cæsiumure, siger forskerne, men eksperimentelle næste generations ure baseret på optiske frekvenser, som er meget højere end frekvenserne for brint- og cæsiumure, kunne give meget mere følsomme resultater. NIST driver allerede en række af disse ure baseret på atomer som ytterbium og strontium.

Fordi så mange videnskabelige teorier og beregninger hænger sammen, NIST-forskere brugte deres nye værdi for LPI-overtrædelsen til at beregne variationer i flere fundamentale "konstanter" i naturen, fysiske størrelser, der menes at være universelle og udbredt i fysik. Deres resultater for den lette kvarkmasse var de bedste nogensinde, mens resultaterne for finstrukturkonstanten stemte overens med tidligere rapporterede værdier for ethvert par atomer.