Comparando diferentes tipos de relojes atómicos remotos, Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han realizado la prueba más precisa de un principio clave que subyace en la famosa teoría de la relatividad general de Albert Einstein. que describe cómo la gravedad se relaciona con el espacio y el tiempo.

El resultado de NIST, posible gracias a las continuas mejoras en los relojes atómicos más precisos del mundo, produce un mínimo histórico, valor extremadamente pequeño para una cantidad que Einstein predijo que sería cero.

Como se describe en un Física de la naturaleza artículo publicado en línea el 4 de junio de Los investigadores del NIST utilizaron el sistema solar como laboratorio para probar el experimento mental de Einstein que involucraba a la Tierra como un ascensor en caída libre. Einstein teorizó que todos los objetos ubicados en un ascensor de este tipo se acelerarían a la misma velocidad, como si estuvieran en un campo gravitacional uniforme, o sin gravedad alguna. Es más, él predijo, Las propiedades de estos objetos entre sí permanecerían constantes durante la caída libre del ascensor.

En su experimento, el equipo del NIST consideró a la Tierra como un ascensor que cae a través del campo gravitacional del Sol. Compararon los datos registrados sobre los "tics" de dos tipos de relojes atómicos ubicados en todo el mundo para mostrar que permanecieron sincronizados durante 14 años. incluso cuando la atracción gravitacional en el ascensor varió durante la órbita ligeramente descentrada de la Tierra alrededor del Sol. Los investigadores compararon los datos de 1999 a 2014 para un total de 12 relojes:cuatro máseres de hidrógeno (láseres de microondas) en la escala de tiempo del NIST con ocho de los los relojes atómicos de fuente de cesio más precisos operados por laboratorios de metrología en los Estados Unidos, el Reino Unido, Francia, Alemania e Italia.

El experimento fue diseñado para probar una predicción de la relatividad general, el principio de invariancia de posición local (LPI), que sostiene eso en un ascensor que cae, Las medidas de los efectos no gravitacionales son independientes del tiempo y el lugar. Una de esas medidas compara las frecuencias de la radiación electromagnética de los relojes atómicos en diferentes ubicaciones. Los investigadores limitaron la violación de LPI a un valor de 0,00000022 más o menos 0,00000025, el número más minúsculo hasta ahora. coherente con el resultado de cero predicho por la relatividad general, y correspondiente a ninguna infracción. Esto significa que la relación entre las frecuencias de hidrógeno y cesio se mantuvo igual a medida que los relojes se movían juntos en el ascensor descendente.

Este resultado tiene cinco veces menos incertidumbre que la mejor medición previa de NIST de la violación de LPI, lo que se traduce en una sensibilidad cinco veces mayor. Ese resultado anterior de 2007, a partir de una comparación de siete años de relojes atómicos de cesio e hidrógeno, fue 20 veces más sensible que las pruebas anteriores.

El último avance de medición se debe a mejoras en varias áreas, a saber, relojes atómicos con fuente de cesio más precisos, mejores procesos de transferencia de tiempo (que permiten a los dispositivos en diferentes ubicaciones comparar sus señales de tiempo), y los datos más recientes para calcular la posición y la velocidad de la Tierra en el espacio, Dijo Bijunath Patla de NIST.

"Pero la razón principal por la que hicimos este trabajo fue para resaltar cómo se usan los relojes atómicos para probar la física fundamental; en particular, los fundamentos de la relatividad general, ", Dijo Patla." Esta es la afirmación que se hace con mayor frecuencia cuando los relojeros se esfuerzan por una mejor estabilidad y precisión. Vinculamos pruebas de relatividad general con relojes atómicos, tenga en cuenta las limitaciones de la generación actual de relojes, y presentar una perspectiva futura de cómo los relojes de la próxima generación serán muy relevantes ".

Es poco probable que se obtengan límites adicionales de LPI utilizando relojes de hidrógeno y cesio, los investigadores dicen, pero relojes experimentales de próxima generación basados ​​en frecuencias ópticas, que son mucho más altas que las frecuencias de los relojes de hidrógeno y cesio, podría ofrecer resultados mucho más sensibles. El NIST ya opera una variedad de estos relojes basados ​​en átomos como el iterbio y el estroncio.

Debido a que tantas teorías y cálculos científicos están entrelazados, Los investigadores del NIST utilizaron su nuevo valor para la violación de LPI para calcular variaciones en varias "constantes" fundamentales de la naturaleza, cantidades físicas que se cree que son universales y de uso generalizado en física. Sus resultados para la masa de quarks ligeros fueron los mejores hasta ahora, mientras que los resultados para la constante de estructura fina coincidieron con los valores informados previamente para cualquier par de átomos.