Einstein oli taas oikeassa: aika-avaruus on symmetrinen

Valon nopeuden mittaamista eri suunnissa

Albert Einsteinin suppean suhteellisuusteorian peruslähtökohtia on, että  valon nopeus on aina ja kaikkialla sekä kaikissa suunnissa sama. Kvanttigravitaatiota koskevien teoreettisten mallien mukaan on kuitenkin mahdollista, että hiukkasmaailmassa nopeusrajoitusta ei noudatetakaan niin orjallisesti.

Toistaiseksi kvanttiylinopeuksista ei ole päästy sakottamaan, sillä kokeissa ei ole havaittu minkäänlaisia eroja. Saksalaisessa PTB-tutkimuslaitoksessa (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) on aika-avaruuden symmetriaa testattu optisilla ytterbium-atomikelloilla, joilla tarkkuus saatiin kasvatettua sata kertaa aiempia kokeita suuremmaksi.

Kahden ytterbiumkellon välinen mittavirhe kasvaa miljardissa vuodessa korkeintaan sekunniksi, joten niiden avulla oli mahdollista mitata äärimmäisen pieniä poikkeamia ytterbiumionien elektronien liikkeessä. Kokeessa elektronit liikkuivat aika-avaruuden suhteen eri suuntiin. Ellei aika-avaruus olisi symmetrinen, elektronien nopeuksissa pitäisi näkyä pieni ero.

Ensimmäinen valon nopeuden vakioisuuteen liittyvä merkittävä koe tehtiin jo vuonna 1887, kun Albert Michelson ja Edward Morley yrittivät mitata avaruuden täyttävän eetterin vaikutuksen valon kulkuun. Tuolloin oletettiin, että valo ja kaikki muukin sähkömagneettinen säteily vaatii edetäkseen väliaineen samaan tapaan kuin ääni. Koetulos oli yllätys: valon nopeus on sama kaikissa suunnissa eikä mitään eetteriä ole olemassa. Koetulos oli yksi Einsteinin lähtökohdista hänen kehitellessään suhteellisuusteoriaansa.

Hendrik Lorentzin mukaan Lorentzin symmetriaksi kutsuttu aika-avaruuden ominaisuus on siitä lähtien ollut toistuvien kokeiden kohteena. Pitääkö se todella paikkansa aina ja kaikkialla, ja liikkuvatko myös kvanttimaailman hiukkaset täsmälleen samalla nopeudella kaikkiin suuntiin?

Tuoreimmassa kokeessa käytettyjen kellojen tarkkuus perustuu yksittäisten ytterbiumionien värähtelytaajuuteen. Ionien perustilassa elektronien aaltofunktio on pallosymmetrinen, mutta virittyneessä tilassa se on pitkänomainen eli elektronit liikkuvat pääosin tietyssä suunnassa. Elektronien liikesuuntaa voidaan hallita kellon sisäisen magneettikentän avulla, joten sijoittamalla kellot toistensa suhteen sopivaan asentoon elektronit saadaan liikkumaan toisiaan vastaan kohtisuoriin suuntiin.

Kellot oli asennettu laboratoriossa kiinteälle alustalle, joka pyöri Maan mukana tähtien suhteen yhden kierroksen 23,9345 tunnissa. Jos elektronien nopeudet olisivat riippuvaisia niiden kulkusuunnasta, kahden kellon näyttämissä ajoissa olisi pitänyt näkyä jaksottainen vaihtelu, joka vastaisi Maan pyörimisliikettä. Teknisten virhelähteiden eliminoimiseksi ytterbiumkelloja vertailtiin yli tuhannen tunnin eli lähes puolentoista kuukauden ajan.

Mittaustarkkuuden rajoissa kellojen avulla mitatuissa elektronien nopeuksissa ei kuitenkaan havaittu minkäänlaista vaihtelua. Ytterbiumionien värähtelytaajuuksien eron ylärajaksi todettiin 3 x 1018, mikä osoitti kellojen olevan oletettuakin tarkempia. Aikaero kasvaisi sekunnin mittaiseksi vasta kymmenessä miljardissa vuodessa.

Lorentzin symmetria pätee ja Albert Einsteinin todettiin jälleen kerran olleen oikeassa.

Symmetriakokeesta kerrottiin PTB-laitoksen kotisivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)