En grundläggande del av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori har just satts på prov med hjälp av världens bästa atomur.
Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) använde klockorna för att utföra den mest exakta bedömningen av Einsteins så kallade ekvivalensprincip, eller ”Einsteins experimentella hiss”-idé.
Einsteins experimentella hiss
Så långt tillbaka som 1907, nästan ett decennium innan den framstående fysikern publicerade sin fullständiga teori om allmän relativitet, utarbetade Einstein ett tankeexperiment utformat för att studera gravitationskrafterna.
Einstein insåg att om du skulle stå i en hiss och kabeln skulle gå av, vilket fick hissen att falla fritt mot jorden, skulle du uppleva en känsla av viktlöshet. Dina fötter skulle lämna golvet och du skulle tillfälligt verka ”flyta”.
Einstein föreslog att accelerationen du skulle uppleva när du faller skulle ta bort känslan av gravitationens dragkraft, och detta skulle hända oavsett tid och plats. Sammanfattningsvis skulle alla föremål som finns i hissen accelerera i samma takt, som om de befann sig i ett enhetligt gravitationsfält – eller som om det inte fanns någon gravitation alls – och detta skulle vara oberoende av hissens position.
LÄS NÄSTA: 8 saker du aldrig visste om hissar
För att sätta detta tankeexperiment på prov använde teamet vid NIST en mycket stor ”hiss” – jorden, som faller genom solens gravitationsfält – och extremt exakta atomklockor placerade i olika delar av planeten.
Teamet jämförde data från fyra vätemaserklockor i NIST tidsskala, med åtta cesiumfontän atomur i USA, Storbritannien, Frankrike, Tyskland och Italien. Enligt ekvivalensteorin ska objekt på jorden accelerera i samma takt som planeten kretsar runt vår närmaste stjärna, känd som lokal positionsinvarians eller LPI. Genom att dra avläsningar från 1999 till 2014 fann forskarna att dessa klockor förblev synkroniserade, även om gravitationskraften på ”hissen” varierade under jordens bana.
”Allmän relativitetsteori är en av fysikens grundläggande teorier”, säger Bijunath R. Patla, en av forskarna i projektet, till Alphr. ”Det förklarar fenomenet gravitation väldigt bra. Men nya upptäckter som tyder på att universum accelererar, och åberopar mörk materia för att förklara galaxernas rotation, har fått människor att fokusera på alternativ till allmän relativitet.
”Allmän relativitetsteori är också oförenlig med kvantmekanik. Det anses allmänt att det borde finnas en mer enhetlig teori vars låga energigräns kommer att vara asymptotisk för generell relativitetsteori och höga energigräns för kvantmekaniken. Eftersom allmän relativitet är baserad på en uppsättning postulat, är att testa dessa postulat det bästa sättet att testa gränserna för själva teorin.”
Genom att jämföra frekvenserna för elektromagnetisk strålning från atomklockorna på olika platser, mätte forskarna LPI-avläsningar ett värde på 0,00000022, plus eller minus 0,00000025. Allmän relativitet förutsäger ett resultat av noll, vilket signalerar ingen kränkning, och detta resultat, publicerat i Naturfysik, är den närmaste läsningen hittills till den siffran.
”Genom att jämföra de bästa klockorna i världen, under en varaktighet på 14 år, letade vi efter varje kränkning i ett av postulaten om allmän relativitet”, säger Patla. ”Baserat på vår studie fann vi att allmän relativitet klarar detta test. Vi testade ett postulat bättre än någonsin.”
Patla tillägger att framtida försök att testa LPI sannolikt inte kommer att göras med jämförelser mellan väte- och cesiumklockor. Istället förutspås experimentella nästa generations klockor baserade på ytterbium- och strontiumatomer ge ännu bättre resultat, när de kommer närmare och närmare noll. Vad som kan vara avslöjande är varje indikation från dessa nya klockor på att kränkning går sönder när du börjar bedöma det på en minutskala. Med tanke på att allmän relativitet anses vara en ofullkomlig naturlig modell, finns det alla möjligheter att detta kan hända.
