Technik

NIST Atomuhrvergleich bestätigt Schlüsselannahmen von “Einsteins Aufzug”

Die Physiker des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben durch den Vergleich verschiedener Arten von Atomuhren den bisher genauesten Test eines Schlüsselprinzips durchgeführt, das Albert Einsteins berühmter Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegt und beschreibt, wie Gravitation sich auf Raum und Zeit bezieht .

Das NIST-Ergebnis, das durch kontinuierliche Verbesserungen der genauesten Atomuhren der Welt ermöglicht wird, ergibt einen Rekord-niedrigen, äußerst kleinen Wert für eine Größe, die Einstein als Null vorausgesagt hat.

Wie in einem Nature Physics Paper (link is external) beschrieben, das am 4. Juni online gestellt wurde, nutzten NIST-Forscher das Sonnensystem als Labor, um Einsteins Gedankenexperiment zu testen, bei dem die Erde als frei fallender Aufzug eingesetzt wurde. Einstein theoretisierte, dass alle Objekte, die sich in einem solchen Aufzug befinden, mit der gleichen Geschwindigkeit beschleunigt würden, als ob sie sich in einem einheitlichen Gravitationsfeld befänden – oder überhaupt keine Gravitation. Darüber hinaus sagte er voraus, dass die Eigenschaften dieser Objekte während des freien Falls des Aufzugs konstant bleiben würden.

In ihrem Experiment betrachtete das NIST-Team die Erde als einen Aufzug, der durch das Gravitationsfeld der Sonne fällt. Sie verglichen aufgezeichnete Daten über die “Zecken” zweier Arten von Atomuhren auf der ganzen Welt, um zu zeigen, dass sie über 14 Jahre synchron blieben, selbst als die Anziehungskraft auf den Höhenruder während der leicht abfallenden Umlaufbahn der Erde variierte. Forscher verglichen Daten von 1999 bis 2014 für insgesamt 12 Uhren-vier Wasserstoff-Maser (Mikrowellen-Laser) in der NIST-Zeitskala mit acht der genauesten Caesium Brunnen Atomuhren von Metrologie-Labors in den Vereinigten Staaten, Großbritannien, Frankreich betrieben , Deutschland und Italien.

Das Experiment wurde entworfen, um eine Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen, das Prinzip der lokalen Positionsinvarianz (LPI), das besagt, dass in einem fallenden Aufzug Messungen von nicht-raivitativen Effekten unabhängig von Zeit und Ort sind. Eine solche Messung vergleicht die Frequenzen elektromagnetischer Strahlung von Atomuhren an verschiedenen Orten. Die Forscher beschränkten die Verletzung von LPI auf einen Wert von 0,00000022 plus oder minus 0,00000025 – die bisher kleinste Zahl, übereinstimmend mit dem von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Ergebnis von Null, was keiner Verletzung entspricht. Dies bedeutet, dass das Verhältnis von Wasserstoff zu Cäsium-Frequenzen das gleiche blieb wie die Uhren, die sich im fallenden Aufzug zusammen bewegten.

Dieses Ergebnis hat fünfmal weniger Unsicherheit als NISTs beste vorherige Messung der LPI-Verletzung, was zu einer fünfmal höheren Empfindlichkeit führt. Das frühere Ergebnis von 2007, verglichen mit einem 7-Jahres-Vergleich von Cäsium- und Wasserstoffatomuhren, war 20-mal empfindlicher als die vorherigen Tests.

Der jüngste Fortschritt bei der Messung ist auf Verbesserungen in verschiedenen Bereichen zurückzuführen, nämlich auf genauere Caesium-Fontänen-Atomuhren, bessere Zeitübertragungsprozesse (die es Geräten an verschiedenen Orten ermöglichen, ihre Zeitsignale zu vergleichen) und die neuesten Daten zur Berechnung der Position und Geschwindigkeit der Erde im All sagte NIST’s Bijunath Patla.

“Aber der Hauptgrund, warum wir diese Arbeit gemacht haben, war hervorzuheben, wie Atomuhren benutzt werden, um fundamentale Physik zu testen; insbesondere die Grundlagen der Allgemeinen Relativität “, sagte Patla. “Dies ist der häufigste Anspruch, wenn Uhrmacher nach mehr Stabilität und Genauigkeit streben. Wir verbinden Tests der allgemeinen Relativitätstheorie mit Atomuhren, bemerken die Grenzen der aktuellen Uhrengeneration und geben einen Ausblick auf die Zukunft der Uhren der nächsten Generation. ”

Weitere Begrenzungen des LPI sind mit Wasserstoff- und Cäsium-Uhren wahrscheinlich nicht erreichbar, aber experimentelle Uhren der nächsten Generation, die auf optischen Frequenzen basieren, die viel höher sind als die Frequenzen von Wasserstoff- und Cäsium-Uhren, könnten wesentlich empfindlichere Ergebnisse liefern. NIST betreibt bereits eine Vielzahl dieser Uhren basierend auf Atomen wie Ytterbium und Strontium.

Weil so viele wissenschaftliche Theorien und Berechnungen miteinander verflochten sind, nutzten NIST-Forscher ihren neuen Wert für die LPI-Verletzung, um Variationen in verschiedenen fundamentalen “Konstanten” der Natur zu berechnen, von physikalischen Größen, die universell und in der Physik weit verbreitet sind. Ihre Ergebnisse für die leichte Quarkmasse waren die besten, die jemals erzielt wurden, während die Ergebnisse für die Feinstrukturkonstante mit den früher berichteten Werten für jedes Atompaar übereinstimmten.

Die Arbeit wurde teilweise von der Nationalen Luftfahrt- und Raumfahrtbehörde finanziert.

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