В своей Специальной теории относительности Эйнштейн сформулировал гипотезу, согласно которой скорость света всегда одинакова независимо от условий. Однако, возможно, что — согласно теоретическим моделям квантовой гравитации — эта однородность пространства-времени не распространяется на частицы. В настоящее время физики проверили эту гипотезу с помощью первого долгосрочного сравнения двух оптических иттербиевых часов в Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). С этими часами, чья погрешность составляет всего одну секунду за десять миллиардов лет, должна быть возможность измерять даже очень малые отклонения движения электронов в иттербии. Но ученые не обнаружили никаких изменений, когда часы были по-разному ориентированы в пространстве. Благодаря этому результату-18 был подтвержден. Команда, состоящая из физиков из PTB и Университета штата Делавэр, опубликовала свои результаты в текущем выпуске журнала Nature .
Это один из самых известных физических экспериментов в истории: еще в 1887 году Майкельсон и Морли продемонстрировали то, что Эйнштейн позже выразил в форме теории. С помощью вращающегося интерферометра они сравнили скорость света вдоль двух оптических осей, проходящих вертикально друг к другу. Результатом этого эксперимента стало одно из фундаментальных утверждений специальной теории относительности Эйнштейна: скорость светаодинаков во всех направлениях пространства. Теперь можно задать вопрос: применима ли эта симметрия пространства (названная в честь Хендрика Антуна Лоренца) к движению материальных частиц? Или есть направления, по которым эти частицы движутся быстрее или медленнее, хотя энергия остается неизменной? Специально для высоких энергий частиц теоретические модели квантовой гравитации предсказывают нарушение симметрии Лоренца.
Теперь был проведен эксперимент с двумя атомными часами , чтобы исследовать этот вопрос с высокой точностью. Частоты этих атомных часов контролируются резонансной частотой одного иона Yb +, который хранится в ловушке. В то время как электроны ионов Yb + имеют сферически-симметричное распределение в основном состоянии , в возбужденном состоянии они имеют заметно удлиненную волновую функциюи, следовательно, двигаться в основном в одном пространственном направлении. Ориентация волновой функции определяется магнитным полем, приложенным внутри часов. Ориентация поля была выбрана примерно под прямым углом в двух часах. Часы надежно установлены в лаборатории и вращаются вместе с Землей один раз в день (точнее: один раз за 23,9345 часа) относительно неподвижных звезд. Если бы скорость электронов зависела от ориентации в пространстве, это, таким образом, привело бы к разнице частот между двумя атомными часами, которая возникала бы периодически, вместе с вращением Земли.
Чтобы иметь возможность четко дифференцировать такой эффект от любых возможных технических воздействий, частоты часов Yb + сравнивались в течение более 1000 часов. В ходе эксперимента не было обнаружено изменений между двумя часами для доступного диапазона продолжительности периода от нескольких минут до 80 часов. Для теоретической интерпретации и расчетов, касающихся атомной структуры иона Yb + , команда PTB работала в сотрудничестве с теоретиками из Университета штата Делавэр (США). Полученные в настоящее время результаты значительно улучшили пределы, установленные в 2015 году исследователями из Калифорнийского университета в Беркли с ионами Ca + , в 100 раз.
Усредненные по общему времени измерения, оба тактовых генератора имели относительное отклонение частоты менее 3 × 10 -18 . Это подтверждает совокупную неопределенность часов, которая ранее была оценена как 4 × 10 -18 . Кроме того, это важный шаг в характеристике оптических атомных часов на этом уровне точности. Только примерно через десять миллиардов лет эти часы потенциально отклонятся друг от друга на одну секунду.
