Den internationella rymdstationen kommer att vara värd för de mest exakta klockorna som någonsin lämnat jorden. Exakt till en sekund på 300 miljoner år kommer klockorna att driva på tidsmätningen för att testa gränserna för relativitetsteorin och vår förståelse av gravitationen.

Albert Einsteins allmänna relativitetsteori förutspådde att gravitation och hastighet påverkar tiden, ju snabbare du reser desto mer saktar tiden ner, men också ju mer gravitationen drar på dig desto mer saktar tiden ner.

Den 29 maj 1919 sattes Einsteins teori första gången på prov när Arthur Eddington observerade ljus "böja sig" runt solen under en solförmörkelse. Fyrtio år senare, Pound-Rebka-experimentet mätte först den rödförskjutningseffekt som inducerades av gravitationen i ett laboratorium – men ett sekel senare söker forskare fortfarande efter teorins gränser.

"Relativitetsteorin beskriver vårt universum i stor skala, men på gränsen till den oändligt liten skala, jibbar inte teorin och den förblir oförenlig med kvantmekaniken, " förklarar Luigi Cacciapuoti, ESA:s Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) projektforskare. "Dagens försök att förena allmän relativitet och kvantmekanik förutsäger brott mot Einsteins ekvivalensprincip."

Einsteins princip beskriver hur gravitationen stör tid och rum. En av dess mest intressanta manifestationer är tidsutvidgning på grund av gravitation. Denna effekt har bevisats genom att jämföra klockor på olika höjder som på berg, i dalar och i rymden. Klockor på högre höjd visar att tiden går snabbare med avseende på en klocka på jordens yta eftersom det finns mindre gravitation från jorden ju längre du är från vår planet.

Flyger på 400 km höjd på rymdstationen, Atomic Clock Ensemble in Space kommer att göra mer exakta mätningar än någonsin tidigare.

Internet av klockor

ACES kommer att skapa ett "internet av klockor", koppla samman de mest exakta atomklockorna världen över och jämföra deras tidtagning med de på mänsklighetens viktlösa laboratorium när det flyger över huvudet.

Att jämföra tid ner till en stabilitet på hundratals femtosekunder – en miljondels miljarddels sekund – kräver tekniker som tänjer på gränserna för nuvarande teknik. ACES har två sätt för klockorna att överföra sina data, en mikrovågslänk och en optisk länk. Båda anslutningarna utbyter tvåvägs timingsignaler mellan markstationerna och rymdterminalen, när tidssignalen går uppåt till rymdstationen och när den återvänder ner till jorden.

Den oöverträffade noggrannheten som denna inställning erbjuder ger några fina bonusar till ACES-experimentet. Klockor på marken kommer att jämföras sinsemellan genom att ge lokala mätningar av geopotentialskillnader, hjälpa forskare att studera vår planet och dess gravitation.

Laser- och mikrovågslänkarnas frekvenser kommer att hjälpa till att förstå hur ljus och radiovågor fortplantar sig genom troposfären och jonosfären och ger information om klimatet. Till sist, klockornas internet kommer att tillåta forskare att distribuera tid och att synkronisera sina klockor över hela världen för storskaliga jordbaserade experiment och för andra tillämpningar som kräver exakt timing.

"Nästa generation av atomklockor och länkteknikerna som vi utvecklar kan en dag användas för att observera gravitationsvågor själva som ESA:s föreslagna LISA-uppdrag, " tillägger Luigi, "men just nu kommer ACES att hjälpa oss att testa så gott vi kan Einsteins allmänna relativitetsteori, letar efter små kränkningar som, om hittad, kan öppna ett fönster till en ny teori om fysik som måste komma."

Klockorna har testats och integrerats på ACES nyttolast och mikrovågslänken för ACES genomgår tester innan den slutliga integrationen med hela experimentet. ACES kommer att vara redo för uppskjutning till rymdstationen 2020.