Nella sua Teoria della relatività speciale, Einstein formulò l'ipotesi secondo cui la velocità della luce è sempre la stessa, non importa quali siano le condizioni. Esso può, però, possibile che, secondo i modelli teorici della gravitazione quantistica, questa uniformità dello spazio-tempo non si applichi alle particelle. I fisici hanno ora testato questa ipotesi con un primo confronto a lungo termine di due orologi ottici all'itterbio presso il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Con questi orologi, il cui errore è di un solo secondo in dieci miliardi di anni, dovrebbe essere possibile misurare deviazioni anche estremamente piccole del movimento degli elettroni nell'itterbio. Ma gli scienziati non hanno rilevato alcun cambiamento quando gli orologi erano orientati diversamente nello spazio. A causa di questo risultato, il limite attuale per testare la simmetria spazio-temporale mediante esperimenti è stato drasticamente migliorato di un fattore 100. Oltre a ciò, l'incertezza di misura sistematica estremamente piccola degli orologi ottici all'itterbio inferiore a 4 × 10 ^-18 è stato confermato. Il team composto da fisici del PTB e dell'Università del Delaware ha pubblicato i suoi risultati nell'attuale numero di Natura .

È uno degli esperimenti di fisica più famosi della storia:già nel 1887, Michelson e Morley dimostrarono ciò che Einstein espresse in seguito sotto forma di teoria. Con l'ausilio di un interferometro rotante, hanno confrontato la velocità della luce lungo due assi ottici che corrono verticalmente l'uno rispetto all'altro. Il risultato di questo esperimento divenne una delle affermazioni fondamentali della Teoria della Relatività Speciale di Einstein:La velocità della luce è la stessa in tutte le direzioni dello spazio. Ora ci si potrebbe chiedere:questa simmetria dello spazio (che prende il nome da Hendrik Antoon Lorentz) si applica anche al moto delle particelle materiali? Oppure ci sono direzioni lungo le quali queste particelle si muovono più velocemente o più lentamente anche se l'energia rimane la stessa? Soprattutto per le alte energie delle particelle, modelli teorici di gravitazione quantistica prevedono una violazione della simmetria di Lorentz.

Ora è stato condotto un esperimento con due orologi atomici per indagare su questa domanda con elevata precisione. Le frequenze di questi orologi atomici sono controllate ciascuna dalla frequenza di risonanza di un singolo Yb ⁺ ione immagazzinato in una trappola. Mentre gli elettroni di Yb ⁺ gli ioni hanno una distribuzione sfericamente simmetrica nello stato fondamentale, nello stato eccitato mostrano una funzione d'onda nettamente allungata e quindi si muovono principalmente lungo una direzione spaziale. L'orientamento della funzione d'onda è determinato da un campo magnetico applicato all'interno dell'orologio. L'orientamento del campo è stato scelto per essere approssimativamente ad angolo retto nei due orologi. Gli orologi sono montati saldamente in un laboratorio e ruotano insieme alla Terra una volta al giorno (più esattamente:una volta ogni 23,9345 ore) rispetto alle stelle fisse. Se la velocità degli elettroni dipendesse dall'orientamento nello spazio, ciò comporterebbe quindi una differenza di frequenza tra i due orologi atomici che si verificherebbe periodicamente, insieme alla rotazione terrestre.

Per poter distinguere chiaramente tale effetto da eventuali influenze tecniche, le frequenze della Yb ⁺ gli orologi sono stati confrontati per più di 1000 ore. Durante l'esperimento, non è stata osservata alcuna variazione tra i due orologi per l'intervallo accessibile di durate del periodo da pochi minuti fino a 80 ore. Per l'interpretazione teorica e i calcoli riguardanti la struttura atomica della Yb ⁺ ione, Il team di PTB ha lavorato in collaborazione con teorici dell'Università del Delaware (USA). I risultati ora ottenuti hanno migliorato i limiti fissati nel 2015 dai ricercatori dell'Università della California, Berkeley con Ca ⁺ ioni drasticamente di un fattore 100.

Media del tempo di misurazione totale, entrambi gli orologi hanno mostrato una deviazione di frequenza relativa inferiore a 3 × 10 ^-18 . Ciò conferma l'incertezza combinata dell'orologio che in precedenza era stata stimata pari a 4 × 10 ^-18 . Per di più, è un passo importante nella caratterizzazione degli orologi atomici ottici a questo livello di precisione. Solo dopo circa dieci miliardi di anni questi orologi potrebbero deviare l'uno dall'altro di un secondo.