Эксперимент Ives-Stilwell протестировали вклад релятивистского замедления времени в доплеровского сдвига света. [1] [2] Результат соответствовал формуле для поперечного эффекта Доплера и был первым прямым количественным подтверждением фактора замедления времени. С тех пор многие эксперименты типа Айвса – Стилвелла были выполнены с повышенной точностью. Вместе с экспериментами Майкельсона – Морли и Кеннеди – Торндайка он является одним из фундаментальных тестов специальной теории относительности . [3] Другими тестами, подтверждающими релятивистский эффект Доплера, являютсяМессбауэровский эксперимент с ротором и современные эксперименты Айвса – Стилуэлла .
Как замедление времени, так и релятивистский эффект Доплера были предсказаны Альбертом Эйнштейном в его основополагающей статье 1905 года. [4] Эйнштейн впоследствии (1907 г.) предложил эксперимент, основанный на измерении относительных частот света, воспринимаемого как исходящий от источника света, движущегося по отношению к наблюдателю, и рассчитал дополнительный доплеровский сдвиг из-за замедления времени. [5] Этот эффект позже был назван «поперечным эффектом Доплера» (TDE), поскольку изначально предполагалось, что такие эксперименты будут проводиться под прямым углом к движущемуся источнику, чтобы избежать влияния продольного доплеровского сдвига. В конце концов, Герберт Э. Айвз и Г. Р. Стилуэлл (имея в виду замедление времени, вытекающее из теории Лоренца и Лармора ) отказались от идеи измерения этого эффекта под прямым углом. Они использовали лучи в продольном направлении и нашли способ отделить гораздо меньший TDE от гораздо большего продольного эффекта Доплера. Эксперимент проводился в 1938 г. [1] и повторялся несколько раз. [2] Подобные эксперименты проводились несколько раз с повышенной точностью, например, Otting (1939), [6] Mandelberg et al. (1962), [7] Hasselkamp et al. (1979), [8] и Ботерманн и др. [9]
Эксперименты с "канальными лучами"
Эксперимент 1938 года
Айвз заметил, что практически невозможно измерить поперечный эффект Доплера по отношению к световым лучам, испускаемым лучами канала под прямым углом к направлению движения лучей канала (как это ранее считал Эйнштейн), потому что влияние продольных эффект вряд ли можно исключить. Поэтому он разработал метод наблюдения эффекта в продольном направлении движения лучей канала. Если предположить, что скорость света фиксирована относительно наблюдателя («классическая теория»), то частоты с доплеровским смещением вперед и назад, наблюдаемые на движущемся объекте, будут равны
где v - скорость разбегания. Согласно специальной теории относительности, две частоты также будут включать дополнительную поправку на красное смещение фактора Лоренца, представленное формулой TDE
Когда мы инвертируем эти отношения так, чтобы они относились к длинам волн, а не к частотам, «классическая теория» предсказывает значения длин волн с красным и синим смещением 1 + v / c и 1 - v / c , так что если все три длины волны (красное смещение, синее смещение и исходное) отмечены на линейной шкале, согласно классической теории, три отметки должны быть расположены идеально равномерно:
Но если свет смещен согласно предсказаниям специальной теории относительности, дополнительное смещение Лоренца означает, что две внешние метки будут смещены в одном направлении относительно центральной метки:
Айвз и Стилуэлл обнаружили, что центр тяжести трех отметок значительно смещен, и поэтому доплеровское соотношение не соответствует «классической теории».
У этого подхода было два основных преимущества:
- Это не требовало привязки к точному значению задействованной скорости (что могло зависеть от теории).
- Это не требовало понимания или интерпретации эффектов угловой аберрации, что могло потребоваться для анализа «истинного» поперечного теста. «Истинный поперечный тест» был проведен почти 40 лет спустя Хасселькампом в 1979 году [8].
Эксперимент 1941 года
В эксперименте 1938 г. максимальный TDE был ограничен 0,047 Å . Основная трудность, с которой столкнулись Айвз и Стилвелл при попытках добиться больших сдвигов, заключалась в том, что когда они повышали электрический потенциал между ускоряющими электродами до более чем 20 000 вольт, происходил пробой и искрение, что могло привести к разрушению трубки.
Эта трудность была преодолена за счет использования нескольких электродов. Используя четырехэлектродную версию канальной лучевой трубки с тремя зазорами, можно достичь общей разности потенциалов 43000 вольт. Падение напряжения 5000 вольт использовалось на первом промежутке, в то время как оставшееся падение напряжения распределялось между вторым и третьим промежутками. С этой трубкой максимальный сдвиг 0,11 Å был достигнут для ионов H 2 + .
Были улучшены и другие аспекты эксперимента. Тщательные испытания показали, что «несмещенные» частицы, образующие центральную линию, на самом деле приобрели небольшую скорость, сообщаемую им в том же направлении движения, что и движущиеся частицы (не более 750 метров в секунду ). При нормальных обстоятельствах это не имело бы никаких последствий, поскольку этот эффект привел бы только к небольшому кажущемуся расширению прямого и отраженного изображений центральной линии. Но если зеркало потускнело, можно было ожидать, что центральная линия немного сместится. Другие проверки были выполнены, чтобы ответить на различные возражения критиков оригинального эксперимента.
Конечным результатом всего этого внимания к деталям стала полная проверка результатов Айвза и Стилвелла 1938 года и распространение этих результатов на более высокие скорости. [2]
Мессбауэровские эксперименты с ротором
Релятивистский эффект Доплера
Более точное подтверждение релятивистского эффекта Доплера было получено в экспериментах с ротором Мессбауэра. Из источника в середине вращающегося диска гамма-лучи направляются в поглотитель на ободе (в некоторых вариантах эта схема была обратной), а за поглотителем размещался стационарный счетчик. Согласно теории относительности, характерная частота резонансного поглощения движущегося поглотителя на ободе должна уменьшаться из-за замедления времени, поэтому пропускание гамма-лучей через поглотитель увеличивается, что впоследствии измеряется стационарным счетчиком за поглотителем. Этот эффект действительно наблюдался с помощью эффекта Мёссбауэра . Максимальное отклонение от замедления времени составило 10 −5 , таким образом, точность была намного выше, чем точность (10 −2 ) экспериментов Айвса – Стилвелла. Такие эксперименты были выполнены Hay et al. (1960), [10] Champeney et al. (1963, 1965), [11] [12] и Kündig (1963). [13]
Изотропия скорости света
Эксперименты с ротором Мессбауэра также использовались для измерения возможной анизотропии скорости света. То есть возможный эфирный ветер должен оказывать мешающее влияние на частоту поглощения. Однако, как и во всех других экспериментах по дрейфу эфира (эксперимент Майкельсона-Морли ), результат был отрицательным, устанавливая верхний предел дрейфа эфира 2,0 см / с. Подобные эксперименты были выполнены Champeney & Moon (1961), [14] Champeney et al. (1963), [15] Тернер и Хилл (1964), [16] и Прейкшат под руководством Исаака (1968). [17]
Современные эксперименты
Быстро движущиеся часы
Значительно более высокая точность была достигнута в современных вариациях экспериментов Айвса – Стилвелла. В накопителях тяжелых ионов , таких как TSR в MPIK или ESR в GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research , доплеровский сдвиг ионов лития , движущихся с высокой скоростью [18] , оценивается с помощью насыщенной спектроскопии или оптико-оптического двойного резонанса. .
Из-за их излучаемых частот эти ионы можно рассматривать как оптические атомные часы высокой точности. Используя структуру Мансури – Секса [19], возможное отклонение от специальной теории относительности может быть количественно определено следующим образом:
- [ сомнительно ]
с участием как частота лазерного луча, распространяющегося антипараллельно ионному лучу, и как частота лазерного луча, распространяющегося параллельно ионному лучу. а также - частоты переходов в состоянии покоя. с участием как скорость иона и как скорость света . В случае спектроскопии насыщения формула меняется на
с участием как частота перехода в покое. В случае, если справедлива специальная теория относительности равно нулю.
Автор | Год | Скорость | Верхний предел |
---|---|---|---|
Grieser et al. [20] | 1994 г. | 0,064 с | ≤ 8 × 10 −7 |
Saathoff et al. [21] | 2003 г. | 0,064 с | ≤ 2 × 10 −7 |
Рейнхардт и др. [22] | 2007 г. | 0,03 с , 0,064 с | ≤ 8 × 10 −8 |
Новотный и др. [23] | 2009 г. | 0,338 с | ≤ 1 × 10 −6 |
Botermann et al. [9] | 2014 г. | 0,338 с | ≤ 2 × 10 −8 |
Медленно движущиеся часы
Между тем, измерение замедления времени на повседневных скоростях также было выполнено. Chou et al. (2010) создали два часа, каждый из которых содержит один ион 27 Al + в ловушке Пауля . В одних часах ион Al + сопровождался ионом 9 Be + в качестве «логического» иона, а в других - ионом 25 Mg + . Эти часы располагались в разных лабораториях и были соединены фазостабилизированным оптоволокном длиной 75 м для обмена тактовыми сигналами. Эти оптические атомные часы излучали частоты в петагерцовом (1 PHz = 10 15 Гц) диапазоне и имели погрешности частоты в диапазоне 10 −17 . С помощью этих часов можно было измерить частотный сдвиг из-за замедления времени на ∼10 −16 на скоростях ниже 36 км / ч (<10 м / с, скорость быстрого бегуна) путем сравнения скорости движения и отдыха. ионы алюминия. Также было возможно обнаружить гравитационное замедление времени по разнице в высоте между двумя часами в 33 см. [24]
Рекомендации
- ^ a b c Айвз, ОН; Стилуэлл, Г. Р. (1938). «Экспериментальное исследование скорости движущихся атомных часов». Журнал Оптического общества Америки . 28 (7): 215. Полномочный код : 1938JOSA ... 28..215I . DOI : 10.1364 / JOSA.28.000215 .
- ^ а б в Айвз, ОН; Стилуэлл, Г. Р. (1941). «Экспериментальное исследование скорости движущихся атомных часов. II». Журнал Оптического общества Америки . 31 (5): 369. Bibcode : 1941JOSA ... 31..369I . DOI : 10.1364 / JOSA.31.000369 .
- ^ Робертсон, HP (1949). «Постулат против наблюдения в специальной теории относительности» (PDF) . Обзоры современной физики . 21 (3): 378–382. Bibcode : 1949RvMP ... 21..378R . DOI : 10.1103 / RevModPhys.21.378 .
- ^ Эйнштейн, Альберт (1905). "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" . Annalen der Physik . 322 (10): 891–921. Bibcode : 1905AnP ... 322..891E . DOI : 10.1002 / andp.19053221004 . Английский перевод: 'Об электродинамике движущихся тел'
- ^ Эйнштейн, Альберт (1907). "Uber die Möglichkeit einer neuen Prüfung des Relativitätsprinzips" (PDF) . Annalen der Physik . 328 (6): 197–198. Bibcode : 1907AnP ... 328..197E . DOI : 10.1002 / andp.19073280613 .
- ^ Оттинг, Г. (1939). "Квадратичный допплерэффект". Physikalische Zeitschrift . 40 : 681–687.
- ^ Мандельберг, Хирш I .; Виттен, Луи (1962). «Экспериментальная проверка релятивистского эффекта Доплера». Журнал Оптического общества Америки . 52 (5): 529. Bibcode : 1962JOSA ... 52..529M . DOI : 10,1364 / josa.52.000529 .
- ^ а б Hasselkamp, D .; Mondry, E .; Шарманн, А. (1979-06-01). «Прямое наблюдение поперечного доплеровского сдвига». Zeitschrift für Physik . 289 (2): 151–155. Bibcode : 1979ZPhyA.289..151H . DOI : 10.1007 / BF01435932 .
- ^ а б Ботерманн, Бенджамин; Бинг, Деннис; Гепперт, Кристофер; Гвиннер, Джеральд; Hänsch, Theodor W .; Хубер, Герхард; Карпук, Сергей; Кригер, Андреас; Кюль, Томас; Нёртерсхойзер, Вильфрид; Новотный, Кристиан; Рейнхардт, Саша; Санчес, Родольфо; Швальм, Дирк; Штёлькер, Томас; Вольф, Андреас; Саатхофф, Гвидо (сентябрь 2014 г.). «Испытание замедления времени с использованием накопленных ионов Li + в качестве часов с релятивистской скоростью». Письма с физическим обзором . 113 (12): 120405. arXiv : 1409.7951 . Bibcode : 2014PhRvL.113l0405B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.113.120405 .
- ^ Hay, HJ; Schiffer, JP; Cranshaw, TE; Эгельстафф, Пенсильвания (1960). «Измерение красного смещения в ускоренной системе с помощью эффекта Мёссбауэра в 57 Fe». Письма с физическим обзором . 4 (4): 165–166. Bibcode : 1960PhRvL ... 4..165H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.4.165 .
- ^ Чампени, округ Колумбия; Исаак, Г.Р .; Хан, AM (1963). «Измерение релятивистского замедления времени с помощью эффекта Мёссбауэра». Природа . 198 (4886): 1186–1187. Bibcode : 1963Natur.198R1186C . DOI : 10.1038 / 1981186b0 .
- ^ Чампени, округ Колумбия; Исаак, Г.Р .; Хан, AM (1965). «Эксперимент по замедлению времени, основанный на эффекте Мёссбауэра». Труды физического общества . 85 (3): 583–593. Bibcode : 1965PPS .... 85..583C . DOI : 10.1088 / 0370-1328 / 85/3/317 .
- ^ Кюндиг, Вальтер (1963). «Измерение поперечного эффекта Доплера в ускоренной системе». Физический обзор . 129 (6): 2371–2375. Bibcode : 1963PhRv..129.2371K . DOI : 10.1103 / PhysRev.129.2371 .
- ^ Чампени, округ Колумбия; Луна, ПБ (1961). «Отсутствие доплеровского сдвига для источника гамма-излучения и детектора на одной круговой орбите». Труды физического общества . 77 (2): 350–352. Bibcode : 1961PPS .... 77..350C . DOI : 10.1088 / 0370-1328 / 77/2/318 .
- ^ Чампени, округ Колумбия; Исаак, Г.Р .; Хан, AM (1963). «Эксперимент с дрейфом эфира, основанный на эффекте Мёссбауэра». Письма по физике . 7 (4): 241–243. Bibcode : 1963PhL ..... 7..241C . DOI : 10.1016 / 0031-9163 (63) 90312-3 .
- ^ Тернер, KC; Хилл, HA (1964). «Новый экспериментальный предел на зависящие от скорости взаимодействия часов и удаленной материи». Физический обзор . 134 (1B): 252–256. Bibcode : 1964PhRv..134..252T . DOI : 10.1103 / PhysRev.134.B252 .
- ^ Прейкшат, Э. (1968). Эффект Мёссбауэра и тесты относительности (PhD). Бирмингемский университет . Проверено 12 ноября 2018 года .
- ^ https://www.youtube.com/watch?v=2NsnX_omxMA
- ^ Mansouri, R .; Sexl, RU (1977). «Контрольная теория специальной теории относительности I – III». Gen. Rel. Грав . 8 (7): 497, 515, 809. Bibcode : 1977GReGr ... 8..497M . DOI : 10.1007 / BF00762634 .
- ^ Grieser, R .; Klein, R .; Huber, G .; Dickopf, S .; Klaft, I .; Knobloch, P .; Merz, P .; Альбрехт, Ф .; Grieser, M .; Habs, D .; Schwalm, D .; Кюль, Т. (1994). «Тест специальной теории относительности с накопленными ионами лития» . Прикладная физика B: Лазеры и оптика . 59 (2): 127–133. Bibcode : 1994ApPhB..59..127G . DOI : 10.1007 / BF01081163 .
- ^ Saathoff, G .; Карпук, С .; Eisenbarth, U .; Huber, G .; Krohn, S .; Орта, Р. Муньос; Reinhardt, S .; Schwalm, D .; Wolf, A .; Гвиннер, Г. (2003). «Улучшенный тест замедления времени в специальной теории относительности». Phys. Rev. Lett . 91 (19): 190403. Bibcode : 2003PhRvL..91s0403S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.91.190403 . PMID 14611572 .
- ^ Reinhardt, S .; Saathoff, G .; Buhr, H .; Карлсон, Луизиана; Wolf, A .; Schwalm, D .; Карпук, С .; Новотный, Ц .; Huber, G .; Zimmermann, M .; Holzwarth, R .; Удем, Т .; Hänsch, TW; Гвиннер, Г. (2007). «Тест релятивистского замедления времени с помощью быстрых оптических атомных часов с разными скоростями». Физика природы . 3 (12): 861–864. Bibcode : 2007NatPh ... 3..861R . DOI : 10.1038 / nphys778 .
- ^ Новотный, Ц .; и другие. (2009). «Субдоплеровская лазерная спектроскопия на релятивистских пучках и проверка лоренц-инвариантности». Physical Review . 80 (2): 022107. Bibcode : 2009PhRvA..80b2107N . DOI : 10.1103 / PhysRevA.80.022107 .
- ^ Чоу, CW; Хьюм, ДБ; Розенбанд, Т .; Вайнленд, ди-джей (2010). «Оптические часы и теория относительности» . Наука . 329 (5999): 1630–1633. Bibcode : 2010Sci ... 329.1630C . DOI : 10.1126 / science.1192720 . PMID 20929843 .
Смотрите также
- Экспериментальная проверка замедления времени
- Тесты специальной теории относительности
дальнейшее чтение
- Робертс, Т .; Schleif, S .; Длугош, JM (редактор) (2007). "Что является экспериментальной основой специальной теории относительности?" . Часто задаваемые вопросы по Usenet Physics . Калифорнийский университет, Риверсайд .CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )