Los experimentos de Hughes–Drever, también llamados experimentos de comparación de relojes, de anisotropía de reloj, de isotropía de masa o de isotropía de energía, son comprobaciones espectroscópicas de la isotropía de la masa y el espacio. Como en los experimentos de Michelson–Morley, se puede comprobar la existencia de un sistema de referencia privilegiado u otras desviaciones de la invariancia de Lorentz, lo cual también afecta a la validez del principio de equivalencia. Por tanto, estos experimentos tienen que ver con aspectos fundamentales tanto de la relatividad especial como de la relatividad general. A diferencia de los experimentos tipo Michelson–Morley, los experimentos Hughes–Drever comprueban la isotropía de las interacciones de la materia misma, o sea, de protones, neutrones y electrones. La precisión alcanzada hace de esta clase de experimentos una de la confirmaciones más rigurosas de la relatividad.
Giuseppe Cocconi y Edwin Ernest Salpeter (1958) habían teorizado que la inercia depende las masas que la rodean según el principio de Mach. Una distribución no uniforme de la materia conduciría, por tanto, a anisotropía de la inercia en direcciones diferentes. Argumentos heurísiticos les llevaron a creer que cualquier anisotropía inercial, si existiese, estaría dominada por las contribuciones de masa del centro de nuestra galaxia Vía láctea. Argumentaron que esta anisotropía podría observarse de dos maneras: midiendo la división Zeeman en un átomo, o en el estado nuclear excitado del 57Fe usando el efecto Mössbauer.
Vernon W. Hughes et al. (1960) y Ronald Drever (1961) dirigieron de manera independiente experimentos espectroscópicos similares para comprobar el principio de Mach. Sin embargo, no utilizaron el efecto Mössbauer, sino que hicieron medidas de resonancia magnética del núcleo de litio-7, cuyo estado fundamental posee un espín de 3⁄2. El estado fundamental se divide en cuatro niveles de energía magnética igualmente espaciados cuando se mide en un campo magnético acorde con su número cuántico magnético permitido. Las funciones de onda nucleares para los distintos niveles de energía tienen diferentes distribuciones espaciales en relación al campo magnético, y por tanto tienen diferentes propiedades direccionales. Si se cumple la isotropía de masa, cada transición entre un par de niveles adyacentes debería emitir un fotón de igual frecuencia, resultando en una única y estrecha línea en el espectro. Por otro lado, si la inercia depende de la dirección, debería observarse un triplete de líneas de resonancia más anchas. Durante las 24 horas del desarrollo de la versión de Drever del experimento, la Tierra giró y el eje del campo magnético barrió diferentes secciones del cielo. Drever prestó particular atención al comportamiento de la línea espectral mientras el campo magnético cruzaba el centro de la galaxia. Ni Hughes ni Drever observaron ningún desplazamiento de la frecuencia de los niveles de energía y, debido a la alta precisión de sus experimentos, la anisotropía máxima podría ser limitada a 0,04 Hz ( 10−25 GeV).
En lo que respecta a las consecuencias del nulo resultado para el principio de Mach, Robert H. Dicke (1961) demostró que esto está de acuerdo con el principio, siempre y cuando la anisotropía espacial sea la misma para todas las partículas. Por tanto el resultado nulo está más bien mostrando que los efectos de la anisotropía inercial son, si existen, universales para todas las partículas y localmente inobservables.
Aunque la motivación de este experimento era probar el principio de Mach, ha llegado a ser reconocido como una importante prueba de la invariancia de Lorentz y, por tanto, de la relatividad especial. Esto es así porque los efectos de la anisotropía también ocurren en un sistema de referencia privilegiado y en un sistema de referencia en violación de Lorentz , usualmente identificados con el sistema de referencia en reposo del CMB o con algún tipo de éter luminífero (velocidad relativa ca. 368 km/s). Por eso los resultados negativos de los experimentos Hughes-Drever (así como los experimentos de Michelson-Morley) descartan la existencia de tal sistema de referencia. En particular, las pruebas de Hughes-Drever de las violaciones de Lorentz se describen a menudo en una teoría de comprobación de la relatividad especial propuesta por Mark P. Haugan y Clifford Will. De acuerdo con este modelo las violaciones de Lorentz en sistemas de referencia privilegiados pueden llevar a diferencias entre la máxima velocidad alcanzable por partículas con masa y la velocidad de la luz. Si fueran diferentes, las propiedades y frecuencias de las interacciones de materia podrían cambiar también. Además, es una consecuencia fundamental del principio de equivalencia de la relatividad general que la invariancia de Lorentz se conserva localmente en sistemas de referencia que se mueven libremente (invariancia local de Lorentz, LLI). Esto significa que los resultados de este experimento aplican tanto a la relatividad especial como a la general.
Debido al hecho de que se comparan diferentes frecuencias ("relojes"), estos experimentos se denominan también experimentos de comparación de relojes.
Además de las violaciones de Lorentz debidas a un sistema de referencia privilegiado o a influencias basadas en el principio de Mach, también se han buscado violaciones espontáneas de la invariancia de Lorentz y de la simetría CPT, ya que las predicciones de varios modelos de gravedad cuántica sugieren su existencia. Se han llevado a cabo modernas actualizaciones de los experimentos de Hughes-Drever para estudiar posibles violaciones de Lorentz y de CPT en neutrones y protones. Usando sistemas de espín polarizado y comagnetómetros, para suprimir influencias magnéticas, se han incrementado enormemente la precisión y la sensibilidad de estos experimentos. Además, utilizando balanzas de torsión de espín polarizado también se ha comprobado el sector del electrón.
Todos estos experimentos han dado hasta ahora resultados negativos, por lo que todavía no hay señales de la existencia de un sistema de referencia privilegiado o cualquier otra forma de violación de Lorentz. Los valores de la tabla siguiente están relacionados con los coeficientes dados por el Modelo Estándar extendido (SME) y son usados a menudo por la teoría de campo efectivo para evaluar posibles violaciones de Lorentz (véase también otras pruebas de la relatividad especial). Así, cualquier desviación de la invariancia de Lorentz puede vincularse con coeficientes específicos. Dado que se han probado en estos experimentos una serie de coeficientes, sólo se da el valor de mayor sensibilidad (para datos más precisos, véanse los artículos individuales):
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