Genom att jämföra olika typer av avlägsna atomur, fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utfört det mest exakta testet någonsin av en nyckelprincip som ligger bakom Albert Einsteins berömda teori om allmän relativitet, som beskriver hur gravitation relaterar till rum och tid.

NIST-resultatet, möjliggjort av ständiga förbättringar av världens mest exakta atomur, ger rekordlåg, ytterst litet värde för en kvantitet som Einstein förutspådde vara noll.

Som beskrivs i a Naturfysik tidning publicerad online 4 juni, NIST-forskare använde solsystemet som ett laboratorium för att testa Einsteins tankeexperiment som involverade jorden som en fritt fallande hiss. Einstein teoretiserade att alla föremål i en sådan hiss skulle accelerera i samma takt, som om de befann sig i ett enhetligt gravitationsfält – eller ingen gravitation alls. Dessutom, han förutspådde, dessa objekts egenskaper i förhållande till varandra skulle förbli konstanta under hissens fria fall.

I deras experiment, NIST-teamet betraktade jorden som en hiss som faller genom solens gravitationsfält. De jämförde registrerade data om "tickarna" för två typer av atomur runt om i världen för att visa att de förblev synkroniserade under 14 år, även när tyngdkraften på hissen varierade under jordens något off-kilter bana runt solen. Forskare jämförde data från 1999 till 2014 för totalt 12 klockor – fyra vätemasrar (mikrovågslasrar) i NIST-tidsskalan med åtta av de mest exakta cesiumfontän atomur som drivs av metrologilaboratorier i USA, Storbritannien, Frankrike, Tyskland och Italien.

Experimentet var designat för att testa en förutsägelse av allmän relativitet, principen om lokal positionsinvarians (LPI), som håller det i en fallande hiss, mått på icke-gravitationella effekter är oberoende av tid och plats. En sådan mätning jämför frekvenserna för elektromagnetisk strålning från atomur på olika platser. Forskarna begränsade överträdelsen av LPI till ett värde på 0,00000022 plus eller minus 0,00000025 – det minsta talet hittills, överensstämmer med allmän relativitets förutsagda resultat av noll, och motsvarar ingen överträdelse. Detta innebär att förhållandet mellan väte och cesiumfrekvenser förblev detsamma när klockorna rörde sig tillsammans i den fallande hissen.

Detta resultat har fem gånger mindre osäkerhet än NIST:s bästa tidigare mätning av LPI-överträdelsen, översätts till fem gånger högre känslighet. Resultatet från tidigare 2007, från en 7-årig jämförelse av cesium- och väteatomklockor, var 20 gånger känsligare än de tidigare testerna.

Det senaste mätframsteg beror på förbättringar inom flera områden, nämligen mer exakta cesiumfontän atomklockor, bättre tidsöverföringsprocesser (som gör det möjligt för enheter på olika platser att jämföra sina tidssignaler), och de senaste uppgifterna för att beräkna jordens position och hastighet i rymden, NIST:s Bijunath Patla sa.

"Men den främsta anledningen till att vi gjorde det här arbetet var att lyfta fram hur atomklockor används för att testa grundläggande fysik; i synnerhet, grunderna för allmän relativitet, ", sa Patla. "Detta är det påstående som oftast görs när klockmakare strävar efter bättre stabilitet och noggrannhet. Vi knyter samman tester av allmän relativitet med atomklockor, notera begränsningarna för den nuvarande generationen av klockor, och presentera en framtidsutsikt för hur nästa generations klockor kommer att bli mycket relevanta."

Ytterligare gränser för LPI kommer sannolikt inte att uppnås med väte- och cesiumklockor, forskarna säger, men experimentella nästa generations klockor baserade på optiska frekvenser, som är mycket högre än frekvenserna för väte- och cesiumklockor, kan ge mycket känsligare resultat. NIST driver redan en mängd av dessa klockor baserade på atomer som ytterbium och strontium.

Eftersom så många vetenskapliga teorier och beräkningar är sammanflätade, NIST-forskare använde sitt nya värde för LPI-överträdelsen för att beräkna variationer i flera grundläggande "konstanter" i naturen, fysiska storheter som anses vara universella och allmänt använda inom fysiken. Deras resultat för den lätta kvargmassan var de bästa någonsin, medan resultaten för finstrukturkonstanten överensstämde med tidigare rapporterade värden för vilket par av atomer som helst.