I en annan verifiering av giltigheten av Einsteins allmänna relativitetsteori, publiceras i Naturfotonik , forskare från RIKEN Center for Advanced Photonics and Cluster for Pioneering Research, med kollegor, har använt två finjusterade optiska gitterklockor, en vid basen och en på det 450 meter långa observatoriets golv i Tokyo Skytree, att göra nya ultraprecisa mätningar av tidsutvidgningseffekten som förutses av Einsteins allmänna relativitetsteori.

Einstein teoretiserade att förvrängningen av tid och rymd av gravitationen orsakades av massiva föremål. I linje med detta, tiden går långsammare i ett djupt gravitationsfält än i ett grundare. Det betyder att tiderna går något långsammare vid foten av Skytree-tornet än på toppen.

Svårigheten med att faktiskt mäta förändringen i hur snabbt klockor går i olika gravitationsfält är att skillnaden är mycket liten. Att utföra ett strängt test av relativitetsteorin kräver antingen en mycket exakt klocka eller en stor höjdskillnad. En av de bästa mätningarna hittills har involverat stora och komplexa klockor som de som utvecklats av RIKEN -gruppen, som kan mäta en skillnad på cirka en centimeter i höjd. Utanför laboratoriet, de bästa testerna har tagits av satelliter, med höjder som skiljer sig åt tusentals kilometer. Sådana rymdexperiment har begränsat varje kränkning av den allmänna relativitetsteorien till cirka 30 delar per miljon, en oerhört exakt mätning som i huvudsak visar att Einstein är korrekt.

Forskarna från RIKEN och deras medarbetare tog upp uppgiften att utveckla transportabla optiska gitterklockor som kunde göra jämförbart exakta relativitetstester, men på marken. Det yttersta syftet, dock, är inte att bevisa eller motbevisa Einstein. Enligt Hidetoshi Katori från RIKEN och University of Tokyo, som ledde gruppen, "En annan viktig tillämpning av ultraprecisa klockor är att känna av och utnyttja rumtidens krökning genom gravitationen. klockor kan skilja små skillnader i höjd, så att vi kan mäta marksvällning på platser som aktiva vulkaner eller jordskorpans deformation, eller för att definiera referensen för höjd. Vi ville visa att vi kunde utföra dessa noggranna mätningar var som helst utanför laboratoriet, med transportabla enheter. Detta är det första steget mot att göra ultraprecisa klockor till verkliga enheter."

Nyckeln till den tekniska bedriften var att miniatyrisera klockorna i laboratoriestorlek till transportabla enheter och att göra dem okänsliga för omgivningsljud som temperaturförändringar, vibrationer, och elektromagnetiska fält. Var och en av klockorna var inneslutna i en magnetisk skärmlåda, cirka 60 centimeter på varje sida. De olika laserenheterna och elektroniska kontrollerna som krävs för att fånga och förhöra atomerna inneslutna i ett galler var inrymda i två rackmonterbara lådor. De två klockorna var anslutna med en optisk fiber för att mäta taktnoten. Parallellt, forskarna genomförde laseravståndsmätning och gravitationsmätning för att oberoende utvärdera skillnaden i gravitationsfältet för de två klockorna.

Siffran de uppnådde för kränkningar av den allmänna relativitetsteorien var ytterligare en validering av Einsteins teori, som andra tidigare. Vad är nyckeln till experimentet, enligt Katori, är att de visade detta med en precision jämförbar med de bästa rymdbaserade mätningarna, men använder transportabla enheter som fungerar på marken. I framtiden, gruppen planerar att jämföra klockor med hundratals kilometer från varandra för att övervaka den långsiktiga höjningen och depressionen av marken, en av de potentiella tillämpningarna av ultraprecisa klockor.