Confrontando diversi tipi di orologi atomici remoti, i fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno eseguito il test più accurato di sempre di un principio chiave alla base della famosa teoria della relatività generale di Albert Einstein, che descrive come la gravità si relaziona allo spazio e al tempo.

Il risultato NIST, reso possibile dai continui miglioramenti degli orologi atomici più precisi al mondo, registra un record minimo, valore estremamente piccolo per una quantità che Einstein aveva predetto essere zero.

Come descritto in a Fisica della natura paper pubblicato online il 4 giugno I ricercatori del NIST hanno utilizzato il sistema solare come laboratorio per testare l'esperimento mentale di Einstein che coinvolge la Terra come un ascensore in caduta libera. Einstein teorizzava che tutti gli oggetti situati in un tale ascensore avrebbero accelerato alla stessa velocità, come se si trovassero in un campo gravitazionale uniforme, o addirittura senza gravità. Inoltre, ha predetto, le proprietà di questi oggetti l'uno rispetto all'altro rimarrebbero costanti durante la caduta libera dell'ascensore.

Nel loro esperimento, il team del NIST considerava la Terra come un ascensore che cadeva attraverso il campo gravitazionale del Sole. Hanno confrontato i dati registrati sui "tick" di due tipi di orologi atomici situati in tutto il mondo per mostrare che sono rimasti sincronizzati per 14 anni, anche se l'attrazione gravitazionale sull'ascensore variava durante l'orbita leggermente fuori asse della Terra attorno al sole. I ricercatori hanno confrontato i dati dal 1999 al 2014 per un totale di 12 orologi:quattro maser a idrogeno (laser a microonde) nella scala temporale del NIST con otto dei orologi atomici con fontana al cesio più accurati gestiti da laboratori di metrologia negli Stati Uniti, il Regno Unito, Francia, Germania e Italia.

L'esperimento è stato progettato per testare una previsione della relatività generale, il principio dell'invarianza di posizione locale (LPI), che lo trattiene in un ascensore che cade, le misure degli effetti non gravitazionali sono indipendenti dal tempo e dal luogo. Una di queste misurazioni confronta le frequenze della radiazione elettromagnetica degli orologi atomici in luoghi diversi. I ricercatori hanno vincolato la violazione di LPI a un valore di 0,00000022 più o meno 0,00000025, il numero più minuscolo di sempre, coerente con il risultato previsto della relatività generale di zero, e corrispondente a nessuna violazione. Ciò significa che il rapporto tra le frequenze dell'idrogeno e del cesio è rimasto lo stesso mentre gli orologi si muovevano insieme nell'ascensore che cadeva.

Questo risultato ha un'incertezza cinque volte inferiore rispetto alla migliore misurazione precedente del NIST della violazione LPI, che si traduce in una sensibilità cinque volte maggiore. Quel precedente risultato del 2007, da un confronto di 7 anni di orologi atomici al cesio e all'idrogeno, era 20 volte più sensibile dei test precedenti.

L'ultimo progresso della misurazione è dovuto a miglioramenti in diverse aree, vale a dire orologi atomici a fontana di cesio più accurati, migliori processi di trasferimento del tempo (che consentono ai dispositivi in ​​posizioni diverse di confrontare i loro segnali temporali), e gli ultimi dati per calcolare la posizione e la velocità della Terra nello spazio, Ha detto il Bijunath Patla del NIST.

"Ma il motivo principale per cui abbiamo svolto questo lavoro è stato quello di evidenziare come gli orologi atomici vengono utilizzati per testare la fisica fondamentale; in particolare, i fondamenti della relatività generale, " Patla ha detto. "Questa è l'affermazione fatta più spesso quando gli orologiai si sforzano di migliorare la stabilità e la precisione. Colleghiamo test di relatività generale con orologi atomici, notare i limiti dell'attuale generazione di orologi, e presentare una prospettiva futura su come gli orologi di prossima generazione diventeranno molto importanti."

È improbabile che ulteriori limiti sull'LPI si ottengano utilizzando orologi a idrogeno e cesio, dicono i ricercatori, ma orologi sperimentali di nuova generazione basati su frequenze ottiche, che sono molto più alte delle frequenze degli orologi a idrogeno e cesio, potrebbe offrire risultati molto più sensibili. Il NIST gestisce già una varietà di questi orologi basati su atomi come itterbio e stronzio.

Poiché tante teorie e calcoli scientifici sono intrecciati, I ricercatori del NIST hanno usato il loro nuovo valore per la violazione LPI per calcolare le variazioni in diverse "costanti" fondamentali della natura, grandezze fisiche ritenute universali e ampiamente utilizzate in fisica. I loro risultati per la massa del quark leggero sono stati i migliori di sempre, mentre i risultati per la costante di struttura fine concordavano con i valori precedentemente riportati per qualsiasi coppia di atomi.