Det bærbare atomur med en sky af laserkølede strontiumatomer. (Federal Physical-Technical Institute) Atomure er i stand til at udføre de mest præcise fysiske målinger, menneskeheden kan foretage, men fordi de er så komplekse, har de været begrænset til laboratoriebrug - indtil nu.
For første gang har forskere udviklet en bærbar version og brugt den til at tage målinger af tyngdekraften uden for et laboratoriemiljø.
Teknologien involveret i atomure er betagende. De holder styr på den ekstremt regelmæssige oscillation af atomer fanget af lasere for at holde den mest nøjagtige tid muligt, så den kan måles til 18. decimal.
Det mest nøjagtige atomur, der nogensinde er bygget ved hjælp af strontium-atomer indeholdt i et gitter af lasere - det, der er kendt som et optisk gitter-atomur - vil ikke tabe eller vinde et sekund i 15 milliarder år . Det er længere end universets nuværende alder.
Strontiumatomerne afkøles til en temperatur lige over det absolutte nulpunkt, fanget af interferensmønsteret fra to laserstråler. Laseren exciterer atomet, hvilket får det til at oscillere.
Den nye bærbart atomur , også et optisk strontiumgitter udviklet af forskere ved Physikalisch-Technische Bundesanstal i Tyskland, er ikke helt så præcist som 2015-rekordbryderen. Den har en usikkerhed på 7,4 × 10−17.
Men det er nøjagtigt nok til at måle gravitationel rødforskydning, som det internationale team af forskere netop har opdaget.
Vi ved, at tyngdekraften påvirker stoffet. Vi ved, at det påvirker lyset. Og ja, det har også en effekt på tiden – hvor tyngdekraften er stærkere, går tiden langsommere.
Du ville ikke være i stand til at opdage dette med et almindeligt ur på Jorden, men atomure er så præcise, at de kan bruges til at måle denne effekt.
Dette felt kaldes relativistisk geodæsi , fordi det overraskende blev forudsagt af Einsteins teori om generel relativitetsteori .
Gravitationsrødforskydning er også blevet målt af atomure i laboratoriemiljøer før. At måle det med det bærbare atomur fortæller os ikke noget nyt om gravitationel rødforskydning - men det fortæller os, at det bærbare atomur er værd at forfølge.
Atomuret inde i sin trailer. (Federal Physical-Technical Institute)
Holdet kørte uret i en temperaturstabiliseret og vibrationsdæmpet trailer til det franske Modane Underground Laboratory, og sammenlignede de målinger, de tog med målinger, der blev taget på Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica i Torino, 90 kilometer væk og i en højdeforskel på 1.000 meter (3.280 fod).
En optisk fiberforbindelse og frekvenskamme tillod de to ure at blive forbundet og deres aflæsninger sammenlignet nøjagtigt.
I mellemtiden blev der også taget målinger ved hjælp af et kryogent cæsium springvandsur og et ytterbium optisk gitterur. Og forskerne kørte derefter det bærbare ur til Torino for at tjekke det mod målinger på det sted.
Målingerne var konsekvente, men uret kræver stadig lidt arbejde, skrev Andrew Ludlow fra National Institute of Standards and Technology, som ikke deltog i forskningen.
'Som man kunne forvente for denne type pionerindsats, var målekampagnen ikke perfekt,' skrev han i en beslægtet leder for Naturfysik s .
'Der var perioder, hvor det bærbare optiske ur ikke ville fungere, og nøjagtigheden af målingerne var begrænset til under optiske ures evne.
'Og mens den relativistiske geodætiske måling stemte fint overens med konventionelle geodætiske målinger, var dens nøjagtighed to størrelsesordener under de konventionelle teknikker.'
Ikke desto mindre beviste eksperimentet princippet, hvilket repræsenterede en væsentlig milepæl i retning af bærbare atomure.
I fremtiden vil disse kunne bruges på meget mere fleksible måder end de nuværende laboratoriebundne atomure.
For eksempel at sætte en optisk gitterur i rummet ville åbne op for nye tests for generel relativitetsteori, sammenligning med terrestriske atomure, geofysik, rumbaseret interferometri og, ja, mere relativistiske geodæsitest fra lave kredsløbshøjder om Jorden.
Det kan også hjælpe med at overvåge havniveauændringer som følge af klima forandring , og hjælpe med at etablere et samlet verdenshøjde referencesystem, bemærkede forskerne.
'Optiske ure anses for at være den næste generation af atomure - som ikke kun fungerer i laboratorier, men også som mobile præcisionsinstrumenter,' sagde Christian Lisdat af Physikalisch-Technische Bundesanstalt.
'Dette samarbejde beviser igen, hvordan discipliner som fysik eller metrologi, geodæsi og klimapåvirkningsforskning gensidigt kan gavne hinanden.'
Holdets papir er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik .