Эксперимент Айвса – Стилвелла - Ives–Stilwell experiment

Эксперимент Айвса – Стилвелла (1938). "Канальные лучи "(смесь в основном ЧАС₂⁺ и ЧАС₃⁺ ионов) были ускорены через перфорированные пластины, заряженные от 6788 до 18350 вольт. Пучок и его отраженное изображение одновременно наблюдались с помощью вогнутого зеркала со смещением 7 ° от луча.^[1] (Смещение на этой иллюстрации сильно преувеличено.)

В Эксперимент Айвса – Стилвелла проверил вклад релятивистских замедление времени к Доплеровский сдвиг света.^[1][2] Результат согласуется с формулой для поперечный эффект 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 Майкельсон-Морли и Кеннеди-Торндайк эксперименты это один из фундаментальных тестов специальная теория относительности теория.^[3] Другими тестами, подтверждающими релятивистский эффект Доплера, являются: Мессбауэровский эксперимент с ротором и современные эксперименты Айвса – Стилвелла.

Как замедление времени, так и релятивистский эффект Доплера были предсказаны Альберт Эйнштейн в его основополагающей статье 1905 года.^[4]Впоследствии Эйнштейн (1907) 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 по отношению к движущемуся источнику, чтобы избежать влияния продольного доплеровского сдвига. В итоге, Герберт Э. Айвс и Г. Р. Стилуэлл (имея в виду замедление времени, как следует из теория Лоренца и Лармора ) отказался от идеи измерять этот эффект 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 был повторен несколько раз.^[2] Подобные эксперименты проводились несколько раз с повышенной точностью, например, Оттингом (1939),^[6] Мандельберг и другие. (1962),^[7] Hasselkamp и другие. (1979),^[8] и Ботерманн и другие.^[9]

Эксперименты с "канальными лучами"

Эксперимент 1938 года

Айвз заметил, что практически невозможно измерить поперечный эффект Доплера относительно световых лучей, испускаемых лучи канала перпендикулярно направлению движения лучей канала (как это считал ранее Эйнштейн), потому что влияние продольного эффекта вряд ли можно исключить. Поэтому он разработал метод наблюдения эффекта в продольном направлении движения лучей канала. Если предположить, что скорость света фиксирована по отношению к наблюдателю («классическая теория»), то вперед и назад С доплеровским сдвигом частоты, видимые на движущемся объекте, будут

${\displaystyle {\frac {f_{o}}{f_{s}}}={\frac {c}{c\pm v}},}$

куда v скорость спада. Согласно специальной теории относительности, две частоты также будут включать дополнительный Фактор Лоренца красное смещение поправка, представленная формулой TDE

${\displaystyle {\frac {f_{o}}{f_{s}}}={\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}.}$

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 равными 1 + v/c и 1 − v/c, поэтому, если все три длины волны (с красным смещением, с синим смещением и исходная) отмечены на линейной шкале, согласно классической теории, эти три метки должны быть расположены идеально равномерно:

${\displaystyle |\cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot |\cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot |}$

Но если свет смещен согласно предсказаниям специальной теории относительности, дополнительное смещение Лоренца означает, что две внешние метки будут смещены в одном направлении по отношению к центральной метке:

${\displaystyle |\cdot \cdot \cdot \cdot \cdot |\cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot |}$

Айвз и Стилвелл обнаружили, что имелось значительное смещение центра тяжести трех отметок, и поэтому доплеровское соотношение не соответствовало «классической теории».

Почему сложно точно измерить поперечный эффект Доплера с помощью поперечного пучка. На иллюстрации показаны результаты попытки измерить линию Ангстрема 4861, излучаемую пучком «канальных лучей», когда они рекомбинировать с электронами, оторванными от разбавленного газообразного водорода, используемого для заполнения лучевой трубки канала. С v = 0.005 c, прогнозируемым результатом TDE будет линия 4861,06 Ангстрема. Слева обычный доплеровский сдвиг приводит к расширению эмиссионной линии до такой степени, что TDE невозможно наблюдать. Посередине мы видим, что даже если сузить обзор до точного центра луча, очень небольшие отклонения луча от точного прямого угла вносят сдвиги, сопоставимые с предсказанным эффектом. Айвз и Стилвелл использовали вогнутое зеркало, которое позволяло им одновременно наблюдать почти продольный прямой луч (синий) и его отраженное изображение (красный). Спектроскопически можно было наблюдать три линии: несмещенную эмиссионную линию и линии с синим и красным смещением. Среднее значение линий с красным и синим смещением сравнивалось с линией без смещения.

У этого подхода было два основных преимущества:

1. Это не требовало привязки к точному значению задействованной скорости (что могло зависеть от теории).
2. 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 года максимальный TDE был ограничен 0,047Å. 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, а оставшееся падение напряжения распределялось между вторым и третьим промежутками. С этой трубкой максимальный сдвиг 0,11 Å был достигнут для ЧАС₂⁺ ионы.

Были улучшены и другие аспекты эксперимента. Тщательные тесты показали, что «несмещенный» частицы образуя центральную линию, они фактически приобрели небольшую скорость, сообщаемую им в том же направлении движения, что и движущиеся частицы (не более примерно 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 первоначального 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

Эксперимент Кюндига (1963). An ⁵⁷Fe-мессбауэровский абсорбер был установлен на расстоянии 9,3 см от оси ротора ультрацентрифуги. А ⁵⁷Источник Со был установлен на пьезоэлектрический преобразователь (PZT) в центре ротора. Вращение ротора приводило к выходу источника и поглотителя из резонанса. Модулированное напряжение, приложенное к PZT, приводило источник в радиальное движение относительно поглотителя, так что можно было измерить величину обычного доплеровского сдвига, который может восстановить резонанс. Например, снятие источника на 195мкм / с произвело обычное доплеровское красное смещение, эквивалентное TDE, в результате вращения поглотителя на 35000об / мин.

Релятивистский эффект Доплера

Более точное подтверждение релятивистского эффекта Доплера было получено в экспериментах с ротором Мессбауэра. Из источника в середине вращающегося диска, гамма излучение направляются в поглотитель на ободе (в некоторых вариантах эта схема менялась), а за поглотителем размещался стационарный счетчик. Согласно теории относительности характеристика резонансное поглощение частота движущегося поглотителя на ободе должна уменьшаться из-за замедления времени, поэтому пропускание гамма-излучения через поглотитель увеличивается, что впоследствии измеряется стационарным счетчиком за поглотителем. Этот эффект действительно наблюдался с помощью Эффект Мёссбауэра. Максимальное отклонение от замедления времени составило 10⁻⁵, поэтому точность была намного выше (10⁻²) экспериментов Айвса – Стилуэлла. Такие эксперименты проводил Хэй. и другие. (1960),^[10]Champeney и другие. (1963, 1965),^[11][12] и Кюндиг (1963).^[13]

Изотропия скорости света

Мессбауэровские эксперименты с ротором также использовались для измерения возможного анизотропия 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, так как верхний предел дрейфа эфира составлял 2,0 см / с. Подобные эксперименты проводились Champeney & Луна (1961),^[14] Champeney и другие. (1963),^[15] Тернер и Хилл (1964),^[16] и Прейкшат под руководством Исаак (1968).^[17]

Современные эксперименты

Дальнейшая информация: Современные поиски нарушения Лоренца

Быстро движущиеся часы

Значительно более высокая точность была достигнута в современных вариациях экспериментов Айвса – Стилвелла. В тяжелых-ион кольца для хранения, как TSR на MPIK или СОЭ на GSI Центр исследования тяжелых ионов имени Гельмгольца, доплеровский сдвиг литий ионы движутся с высокой скоростью ^[18] оценивается с помощью насыщенная спектроскопия или оптико-оптический двойной резонанс.

Схематическое изображение оптической оптической спектроскопии двойного резонанса с частотами переходов ${\displaystyle \nu _{1}}$ и ${\displaystyle \nu _{2}}$ движущегося иона и встречных лазерных пучков с частотами ${\displaystyle \nu _{a}}$ и ${\displaystyle \nu _{p}}$.

Схематическое изображение спектроскопии насыщения с частотами переходов ${\displaystyle \nu _{0}}$ движущегося иона и встречных лазерных пучков с частотами ${\displaystyle \nu _{a}}$ и ${\displaystyle \nu _{p}}$.

Из-за их излучаемых частот эти ионы можно рассматривать как оптические атомные часы высокой точности. Используя рамки Мансури – Сексл^[19] возможное отклонение от специальной теории относительности может быть определено количественно

${\displaystyle {\frac {\nu _{a}\nu _{p}}{\nu _{1}\nu _{2}}}=1+2{\hat {\alpha }}\beta ^{2},}$^{[сомнительный ]}

с ${\displaystyle \nu _{a}}$ как частота лазерного луча, распространяющегося антипараллельно ионному лучу, и ${\displaystyle \nu _{p}}$ как частота лазерного луча, распространяющегося параллельно ионному лучу. ${\displaystyle \nu _{1}}$ и ${\displaystyle \nu _{2}}$ - частоты переходов в состоянии покоя. ${\displaystyle \beta =v/c}$ с ${\displaystyle v}$ как скорость иона и ${\displaystyle c}$ в качестве скорость света. В случае спектроскопии насыщения формула меняется на

${\displaystyle {\frac {\nu _{a}\nu _{p}}{\nu _{0}^{2}}}=1+2{\hat {\alpha }}\beta ^{2},}$

с ${\displaystyle \nu _{0}}$ как частота перехода в покое. В случае, если специальная теория относительности верна ${\displaystyle {\hat {\alpha }}}$ равно нулю.

Автор	Год	Скорость	Верхний предел ${\displaystyle |{\hat {\alpha }}|}$
Гризер и другие.[20]	1994	0.064 c	≤ 8×10^−7
Saathoff и другие.[21]	2003	0.064 c	≤ 2×10^−7
Рейнхардт и другие.[22]	2007	0.03 c, 0.064 c	≤ 8×10^−8
Новотный и другие.[23]	2009	0.338 c	≤ 1×10^−6
Ботерманн и другие.[9]	2014	0.338 c	≤ 2×10^−8

Медленно движущиеся часы

Между тем, измерение замедления времени на повседневных скоростях также было выполнено. Чжоу и другие. (2010) создали два часа, каждый из которых ²⁷Al⁺ ион в Пол ловушка. В одни часы Аль⁺ ион сопровождался ⁹Быть⁺ ион в качестве «логического» иона, в то время как в другом он сопровождался ²⁵Mg⁺ ион. Эти часы располагались в разных лабораториях и соединялись с помощью фазостабилизированной линии длиной 75 м. оптоволокно для обмена тактовыми сигналами. Эти оптические атомные часы излучали частоты в петагерцах (1 PHz = 10¹⁵ Гц) и имели погрешности частоты в 10⁻¹⁷ классифицировать. С помощью этих часов можно было измерить сдвиг частоты из-за замедления времени на ∼10⁻¹⁶ на скорости ниже 36 км / ч (<10 м / с, скорость быстрого бегуна) путем сравнения скорости движения и покоя ионов алюминия. Также было возможно обнаружить гравитационное замедление времени по разнице в высоте между двумя часами в 33 см.^[24]

Рекомендации

1. Ives, H.E .; Стилуэлл, Г. Р. (1938). «Экспериментальное исследование скорости движущихся атомных часов». Журнал Оптического общества Америки. 28 (7): 215. Bibcode:1938JOSA ... 28..215I. Дои:10.1364 / JOSA.28.000215.
2. Ives, H.E .; Стилуэлл, Г. Р. (1941). «Экспериментальное исследование скорости движущихся атомных часов. II». Журнал Оптического общества Америки. 31 (5): 369. Bibcode:1941JOSA ... 31..369I. Дои:10.1364 / JOSA.31.000369.
3. Робертсон, Х. П. (1949). «Постулат против наблюдения в специальной теории относительности» (PDF). Обзоры современной физики. 21 (3): 378–382. Bibcode:1949РвМП ... 21..378Р. Дои:10.1103 / RevModPhys.21.378.
4. Эйнштейн, Альберт (1905). "Zur Elektrodynamik bewegter Körper". Annalen der Physik. 322 (10): 891–921. Bibcode:1905АнП ... 322..891Е. Дои:10.1002 / andp.19053221004. Английский перевод: «Об электродинамике движущихся тел»
5. Эйнштейн, Альберт (1907). "Über die Möglichkeit einer neuen Prüfung des Relativitätsprinzips" (PDF). Annalen der Physik. 328 (6): 197–198. Bibcode:1907AnP ... 328..197E. Дои:10.1002 / andp.19073280613.
6. Оттинг, Г. (1939). "Der quadratische Dopplereffekt". Physikalische Zeitschrift. 40: 681–687.
7. Мандельберг, Хирш I .; Виттен, Луи (1962). «Экспериментальная проверка релятивистского эффекта Доплера». Журнал Оптического общества Америки. 52 (5): 529. Bibcode:1962JOSA ... 52..529M. Дои:10.1364 / josa.52.000529.
8. Hasselkamp, ​​D .; Mondry, E .; Шарманн, А. (1979-06-01). «Прямое наблюдение поперечного доплеровского сдвига». Zeitschrift für Physik A. 289 (2): 151–155. Bibcode:1979ZPhyA.289..151H. Дои:10.1007 / BF01435932.
9. 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.). "Тест на замедление времени с использованием накопленного Li⁺ Ионы как часы с релятивистской скоростью ». Письма с физическими проверками. 113 (12): 120405. arXiv:1409.7951. Bibcode:2014ПхРвЛ.113л0405Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.113.120405.
10. Hay, H.J .; Schiffer, J. P .; Cranshaw, T. E .; Эгельстафф, П. А. (1960). «Измерение красного смещения в ускоренной системе с использованием эффекта Мессбауэра в ⁵⁷Fe ». Письма с физическими проверками. 4 (4): 165–166. Bibcode:1960PhRvL ... 4..165H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.4.165.
11. Champeney, D.C .; Isaak, G.R .; Хан, А. М. (1963). «Измерение релятивистского замедления времени с помощью эффекта Мёссбауэра». Природа. 198 (4886): 1186–1187. Bibcode:1963Натура.198R1186C. Дои:10.1038 / 1981186b0.
12. Champeney, D.C .; Isaak, G.R .; Хан, А. М. (1965). «Эксперимент по замедлению времени, основанный на эффекте Мессбауэра». Труды физического общества. 85 (3): 583–593. Bibcode:1965PPS .... 85..583C. Дои:10.1088/0370-1328/85/3/317.
13. Кюндиг, Вальтер (1963). «Измерение поперечного эффекта Доплера в ускоренной системе». Физический обзор. 129 (6): 2371–2375. Bibcode:1963ПхРв..129.2371К. Дои:10.1103 / PhysRev.129.2371.
14. Champeney, D.C .; Мун, П. Б. (1961). «Отсутствие доплеровского сдвига для источника и детектора гамма-излучения на одной круговой орбите». Труды физического общества. 77 (2): 350–352. Bibcode:1961PPS .... 77..350C. Дои:10.1088/0370-1328/77/2/318.
15. Champeney, D.C .; Isaak, G.R .; Хан, А. М. (1963). «Эксперимент с дрейфом эфира, основанный на эффекте Мёссбауэра». Письма по физике. 7 (4): 241–243. Bibcode:1963ФЛ ..... 7..241С. Дои:10.1016/0031-9163(63)90312-3.
16. Тернер, К. С .; Хилл, Х.А. (1964). «Новый экспериментальный предел для зависящих от скорости взаимодействий часов и удаленного вещества». Физический обзор. 134 (1B): 252–256. Bibcode:1964ПхРв..134..252Т. Дои:10.1103 / PhysRev.134.B252.
17. Прейкшат Э. (1968). Эффект Мёссбауэра и проверка относительности (Кандидат наук). Бирмингемский университет. Получено 12 ноября, 2018.
18. https://www.youtube.com/watch?v=2NsnX_omxMA
19. Mansouri, R .; Сексл, Р. У. (1977). «Контрольная теория специальной теории относительности I – III». Gen. Rel. Грав. 8 (7): 497, 515, 809. Bibcode:1977GReGr ... 8..497M. Дои:10.1007 / BF00762634.
20. 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 сохраненными ионами лития». Прикладная физика B: Лазеры и оптика. 59 (2): 127–133. Bibcode:1994АпФБ..59..127Г. Дои:10.1007 / BF01081163.
21. 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:2003ПхРвЛ..91с0403С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.91.190403. PMID  14611572.
22. Reinhardt, S .; Saathoff, G .; Buhr, H .; Карлсон, Л. А .; Wolf, A .; Schwalm, D .; Карпук, С .; Новотный, Ц .; Huber, G .; Циммерманн, М .; Holzwarth, R .; Удем, Т .; Hänsch, T. W .; Гвиннер, Г. (2007). «Тест релятивистского замедления времени с быстрыми оптическими атомными часами с разными скоростями». Природа Физика. 3 (12): 861–864. Bibcode:2007НатФ ... 3..861Р. Дои:10.1038 / nphys778.
23. Новотный, Ц .; и другие. (2009). «Субдоплеровская лазерная спектроскопия на релятивистских пучках и проверка лоренц-инвариантности». Физический обзор A. 80 (2): 022107. Bibcode:2009PhRvA..80b2107N. Дои:10.1103 / PhysRevA.80.022107.
24. Chou, C.W .; Hume, D. B .; Розенбанд, Т .; Вайнленд, Д. Дж. (2010). «Оптические часы и теория относительности». Наука. 329 (5999): 1630–1633. Bibcode:2010Sci ... 329.1630C. Дои:10.1126 / science.1192720. PMID  20929843.

Смотрите также

• Экспериментальная проверка замедления времени
• Тесты специальной теории относительности

дальнейшее чтение

• Робертс, Т .; Schleif, S .; Длугош, Дж. М. (ред.) (2007). "Что является экспериментальной основой специальной теории относительности?". Часто задаваемые вопросы по Usenet Physics. Калифорнийский университет, Риверсайд.