In un'altra verifica della validità della teoria della relatività generale di Einstein, pubblicato in Fotonica della natura , scienziati del RIKEN Center for Advanced Photonics e Cluster for Pioneering Research, con i colleghi, hanno utilizzato due orologi a reticolo ottico finemente sintonizzati, uno alla base e uno sul piano dell'osservatorio di 450 metri di Tokyo Skytree, per effettuare nuove misurazioni ultraprecise dell'effetto di dilatazione del tempo previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein.

Einstein teorizzò che la deformazione del tempo-spazio per gravità fosse causata da oggetti massicci. In linea con questo, il tempo scorre più lentamente in un campo gravitazionale profondo che in uno meno profondo. Ciò significa che il tempo scorre leggermente più lentamente alla base della torre Skytree che in cima.

La difficoltà nel misurare effettivamente il cambiamento nella velocità con cui gli orologi funzionano in un diverso campo di gravità è che la differenza è molto piccola. L'esecuzione di un test rigoroso della teoria della relatività richiede un orologio molto preciso o una grande differenza di altezza. Una delle migliori misurazioni finora ha coinvolto orologi grandi e complessi come quelli sviluppati dal gruppo RIKEN, che può misurare una differenza di circa un centimetro di altezza. Fuori dal laboratorio, i migliori test sono stati effettuati dai satelliti, con altitudini diverse di migliaia di chilometri. Tali esperimenti spaziali hanno vincolato qualsiasi violazione della relatività generale a circa 30 parti per milione, una misurazione tremendamente precisa che mostra essenzialmente che Einstein ha ragione.

Gli scienziati di RIKEN e i loro collaboratori si sono assunti il ​​compito di sviluppare orologi reticolari ottici trasportabili in grado di eseguire test di relatività relativamente precisi, ma a terra. Lo scopo ultimo, però, non è dimostrare o smentire Einstein. Secondo Hidetoshi Katori di RIKEN e dell'Università di Tokyo, che guidava il gruppo, "Un'altra importante applicazione degli orologi ultraprecisi è quella di rilevare e utilizzare la curvatura dello spaziotempo per gravità. Usandolo, gli orologi possono distinguere piccole differenze di altitudine, permettendoci di misurare il rigonfiamento del suolo in luoghi come vulcani attivi o deformazioni crostali, o per definire il riferimento per l'altezza. Volevamo dimostrare che potevamo condurre queste misurazioni accurate ovunque al di fuori del laboratorio, con dispositivi trasportabili. Questo è il primo passo verso la trasformazione di orologi ultraprecisi in dispositivi del mondo reale".

La chiave dell'impresa ingegneristica era miniaturizzare gli orologi delle dimensioni di un laboratorio in dispositivi trasportabili e renderli insensibili ai rumori ambientali come i cambiamenti di temperatura, vibrazioni, e campi elettromagnetici. Ciascuno degli orologi era racchiuso in una scatola di schermatura magnetica, circa 60 centimetri per lato. I vari dispositivi laser e controller elettronici necessari per intrappolare e interrogare gli atomi confinati in un reticolo erano alloggiati in due scatole montabili su rack. I due orologi erano collegati da una fibra ottica per misurare la nota di battuta. In parallelo, gli scienziati hanno condotto la misurazione del raggio laser e della gravità per valutare in modo indipendente la differenza del campo gravitazionale per i due orologi.

La cifra che hanno raggiunto per le violazioni della relatività generale è stata un'altra convalida della teoria di Einstein, come altri prima. Qual è la chiave dell'esperimento, secondo Katori, è che lo hanno dimostrato con una precisione paragonabile alle migliori misurazioni spaziali, ma utilizzando dispositivi trasportabili operanti a terra. Nel futuro, il gruppo prevede di confrontare orologi a centinaia di chilometri di distanza per monitorare il sollevamento e la depressione a lungo termine del terreno, una delle potenziali applicazioni degli orologi ultraprecisi.