En su Teoría especial de la relatividad, Einstein formuló la hipótesis según la cual la velocidad de la luz es siempre la misma, no importa cuáles sean las condiciones. Puede, sin embargo, Sería posible que, según los modelos teóricos de la gravitación cuántica, esta uniformidad del espacio-tiempo no se aplique a las partículas. Los físicos ahora han probado esta hipótesis con una primera comparación a largo plazo de dos relojes ópticos de iterbio en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Con estos relojes cuyo error asciende a sólo un segundo en diez mil millones de años, Debería ser posible medir incluso desviaciones extremadamente pequeñas del movimiento de los electrones en el iterbio. Pero los científicos no detectaron ningún cambio cuando los relojes se orientaron de manera diferente en el espacio. Debido a este resultado, el límite actual para probar la simetría espacio-tiempo mediante experimentos se ha mejorado drásticamente en un factor de 100. Además de esto, la incertidumbre de medición sistemática extremadamente pequeña de los relojes ópticos de iterbio de menos de 4 × 10 ^-18 ha sido confirmado. El equipo formado por físicos de PTB y de la Universidad de Delaware ha publicado sus resultados en la edición actual de Naturaleza .

Es uno de los experimentos de física más famosos de la historia:ya en 1887, Michelson y Morley demostraron lo que Einstein expresó más tarde en forma de teoría. Con la ayuda de un interferómetro rotatorio, compararon la velocidad de la luz a lo largo de dos ejes ópticos que corren verticalmente entre sí. El resultado de este experimento se convirtió en una de las afirmaciones fundamentales de la teoría de la relatividad especial de Einstein:la velocidad de la luz es la misma en todas las direcciones del espacio. Ahora, uno podría preguntarse:¿Esta simetría del espacio (que recibió el nombre de Hendrik Antoon Lorentz) también se aplica al movimiento de las partículas materiales? ¿O hay alguna dirección en la que estas partículas se muevan más rápido o más lentamente aunque la energía sigue siendo la misma? Especialmente para altas energías de las partículas, Los modelos teóricos de gravitación cuántica predicen una violación de la simetría de Lorentz.

Ahora se ha realizado un experimento con dos relojes atómicos para investigar esta cuestión con gran precisión. Cada una de las frecuencias de estos relojes atómicos está controlada por la frecuencia de resonancia de un solo Yb ⁺ ion que se almacena en una trampa. Mientras que los electrones del Yb ⁺ Los iones tienen una distribución esféricamente simétrica en el estado fundamental, en el estado excitado exhiben una función de onda claramente alargada y, por lo tanto, se mueven principalmente a lo largo de una dirección espacial. La orientación de la función de onda está determinada por un campo magnético aplicado dentro del reloj. La orientación del campo se eligió aproximadamente en ángulo recto en los dos relojes. Los relojes están firmemente montados en un laboratorio y giran junto con la Tierra una vez al día (más exactamente:una vez cada 23,9345 horas) en relación con las estrellas fijas. Si la velocidad de los electrones dependiera de la orientación en el espacio, esto resultaría en una diferencia de frecuencia entre los dos relojes atómicos que ocurriría periódicamente, junto con la rotación de la Tierra.

Para poder diferenciar claramente este efecto de las posibles influencias técnicas, las frecuencias de la Yb ⁺ Los relojes se compararon durante más de 1000 horas. Durante el experimento, no se observaron cambios entre los dos relojes para el rango accesible de duraciones de períodos desde unos pocos minutos hasta 80 horas. Para la interpretación teórica y los cálculos sobre la estructura atómica del Yb ⁺ ion, El equipo de PTB trabajó en colaboración con teóricos de la Universidad de Delaware (EE. UU.). Los resultados que ahora se han obtenido han mejorado los límites marcados en 2015 por investigadores de la Universidad de California, Berkeley con Ca ⁺ iones drásticamente por un factor de 100.

Promedio sobre el tiempo total de medición, Ambos relojes exhibieron una desviación de frecuencia relativa de menos de 3 × 10 ^-18 . Esto confirma la incertidumbre combinada del reloj que previamente se había estimado en 4 × 10. ^-18 . Es más, es un paso importante en la caracterización de relojes atómicos ópticos a este nivel de precisión. Solo después de aproximadamente diez mil millones de años estos relojes se desviarían potencialmente entre sí en un segundo.