Forskere bruger Tokyo Skytree til at teste Einsteins teori om generel relativitet

I en anden verifikation af gyldigheden af ​​Einsteins generelle relativitetsteori, udgivet i Natur fotonik , forskere fra RIKEN Center for Advanced Photonics og Cluster for Pioneering Research, med kolleger, har brugt to finjusterede optiske gitterure, en ved basen og en på den 450 meter lange observatoriegulv i Tokyo Skytree, at lave nye ultrapræcise målinger af tidsudvidelseseffekten forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori.

Einstein teoretiserede, at tyngdekraftens vridning af tid og rum var forårsaget af massive objekter. I tråd med dette, tiden løber langsommere i et dybt gravitationsfelt end i et mere lavvandet. Det betyder, at tiderne går lidt langsommere ved bunden af ​​Skytree-tårnet end i toppen.

Vanskeligheden ved faktisk at måle ændringen i, hvor hurtigt ure kører i forskellige tyngdefelter, er, at forskellen er meget lille. At udføre en stringent test af relativitetsteorien kræver enten et meget præcist ur eller en stor højdeforskel. En af de bedste målinger hidtil har involveret store og komplekse ure som dem, der er udviklet af RIKEN -gruppen, som kan måle en forskel på omkring en centimeter i højden. Uden for laboratoriet, de bedste test er taget af satellitter, med højder, der er tusindvis af kilometer forskellige. Sådanne rumeksperimenter har begrænset enhver krænkelse af den generelle relativitetsteori til omkring 30 dele pr. en uhyre præcis måling, der i det væsentlige viser, at Einstein er korrekt.

Forskerne fra RIKEN og deres samarbejdspartnere påtog sig opgaven med at udvikle transportable optiske gitter-ure, der kunne lave sammenligneligt præcise relativitetstest, men på jorden. Det ultimative formål, imidlertid, er ikke at bevise eller modbevise Einstein. Ifølge Hidetoshi Katori fra RIKEN og University of Tokyo, hvem ledede gruppen, "En anden stor anvendelse af ultrapræcise ure er at fornemme og udnytte rumtidens krumning ved hjælp af tyngdekraften. ure kan skelne mellem små højdeforskelle, giver os mulighed for at måle jordens hævelse på steder som aktive vulkaner eller skorpedeformation, eller for at definere referencen for højden. Vi ønskede at demonstrere, at vi kunne udføre disse nøjagtige målinger overalt uden for laboratoriet, med transportable enheder. Dette er det første skridt mod at gøre ultrapræcise ure til enheder i den virkelige verden."

Nøglen til den tekniske bedrift var at miniaturisere ure i laboratoriestørrelse til transportable enheder og at gøre dem ufølsomme over for miljøstøj såsom temperaturændringer, vibrationer, og elektromagnetiske felter. Hvert af urene var indesluttet i en magnetisk skjoldkasse, omkring 60 centimeter på hver side. De forskellige laserenheder og elektroniske controllere, der kræves til at fange og udspørge atomerne indespærret i et gitter, var anbragt i to rack-monterbare kasser. De to ure var forbundet med en optisk fiber for at måle takttonen. Parallelt, forskerne udførte laserafstandsmåling og tyngdekraftsmåling for uafhængigt at evaluere forskellen i gravitationsfeltet for de to ure.

Tallet, de opnåede for krænkelser af den generelle relativitetsteori, var en anden validering af Einsteins teori, som andre før. Hvad er nøglen ved eksperimentet, ifølge Katori, er, at de demonstrerede dette med en præcision, der kan sammenlignes med de bedste rumbaserede målinger, men ved hjælp af transportable enheder, der opererer på jorden. I fremtiden, gruppen planlægger at sammenligne ure hundredvis af kilometer fra hinanden for at overvåge den langsigtede hævning og depression af jorden, en af ​​de potentielle anvendelser af ultrapræcise ure.