I sin speciella relativitetsteori, Einstein formulerade hypotesen enligt vilken ljusets hastighet alltid är densamma, oavsett vilka förutsättningar det är. Det kan, dock, vara möjligt att - enligt teoretiska modeller av kvantgravitation - denna enhetlighet av rum-tid inte gäller partiklar. Fysiker har nu testat denna hypotes med en första långtidsjämförelse av två optiska ytterbiumklockor vid Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Med dessa klockor, vars fel uppgår till bara en sekund på tio miljarder år, det borde vara möjligt att mäta även extremt små avvikelser av elektronernas rörelse i ytterbium. Men forskarna upptäckte ingen förändring när klockorna var olika orienterade i rymden. På grund av detta resultat, den nuvarande gränsen för att testa rum-tidssymmetri med hjälp av experiment har förbättrats drastiskt med en faktor 100. Utöver detta, den extremt lilla systematiska mätosäkerheten hos de optiska ytterbiumklockorna på mindre än 4 × 10 ^-18 har konfirmerats. Teamet bestående av fysiker från PTB och från University of Delaware har publicerat sina resultat i det aktuella numret av Natur .

Det är ett av de mest kända fysikexperimenten i historien:Så tidigt som 1887, Michelson och Morley visade vad Einstein senare uttryckte i form av en teori. Med hjälp av en roterande interferometer, de jämförde ljusets hastighet längs två optiska axlar som löper vertikalt mot varandra. Resultatet av detta experiment blev ett av de grundläggande uttalandena i Einsteins speciella relativitetsteori:Ljusets hastighet är densamma i alla riktningar av rymden. Nu kan man fråga sig:Gäller denna rymdsymmetri (som fick sitt namn efter Hendrik Antoon Lorentz) även för rörelsen hos materiella partiklar? Eller finns det några riktningar längs vilka dessa partiklar rör sig snabbare eller långsammare även om energin förblir densamma? Speciellt för hög energi av partiklarna, teoretiska modeller av kvantgravitation förutsäger en kränkning av Lorentz symmetri.

Nu har ett experiment genomförts med två atomur för att undersöka denna fråga med hög noggrannhet. Frekvenserna för dessa atomklockor styrs var och en av resonansfrekvensen för en enda Yb ⁺ jon som lagras i en fälla. Medan elektronerna i Yb ⁺ joner har en sfäriskt symmetrisk fördelning i grundtillståndet, i det exciterade tillståndet uppvisar de en distinkt långsträckt vågfunktion och rör sig därför huvudsakligen längs en rumslig riktning. Orienteringen av vågfunktionen bestäms av ett magnetfält som appliceras inuti klockan. Fältorienteringen valdes att vara ungefär i rät vinkel i de två klockorna. Klockorna är stadigt monterade i ett laboratorium och roterar tillsammans med jorden en gång om dagen (mer exakt:en gång i 23.9345 timmar) i förhållande till fixstjärnorna. Om elektronernas hastighet berodde på orienteringen i rymden, detta skulle alltså resultera i en frekvensskillnad mellan de två atomklockorna som skulle inträffa periodiskt, tillsammans med jordens rotation.

För att tydligt kunna skilja en sådan effekt från eventuella tekniska influenser, frekvenserna för Yb ⁺ klockorna jämfördes i mer än 1000 timmar. Under experimentet, ingen förändring mellan de två klockorna observerades för det tillgängliga intervallet av periodlängder från några minuter upp till 80 timmar. För den teoretiska tolkningen och beräkningarna rörande Yb:s atomära struktur ⁺ Jon, PTB:s team arbetade i samarbete med teoretiker från University of Delaware (USA). Resultaten som nu har erhållits har förbättrat de gränser som sattes 2015 av forskare från University of California, Berkeley med Ca ⁺ joner drastiskt med en faktor 100.

Medelvärde över den totala mättiden, båda klockorna uppvisade en relativ frekvensavvikelse på mindre än 3 × 10 ^-18 . Detta bekräftar den kombinerade osäkerheten för klockan som tidigare hade uppskattats till 4 × 10 ^-18 . Vidare, det är ett viktigt steg i karakteriseringen av optiska atomklockor på denna nivå av noggrannhet. Först efter ungefär tio miljarder år skulle dessa klockor potentiellt avvika från varandra med en sekund.