Тесты специальной теории относительности - Tests of special relativity

Специальная теория относительности это физическая теория который играет фундаментальную роль в описании всех физических явлений, пока гравитация не имеет значения. Многие эксперименты сыграли (и играют) важную роль в ее разработке и обосновании. Сила теории заключается в ее уникальной способности правильно и с высокой точностью предсказывать результаты самых разнообразных экспериментов. Повторения многих из этих экспериментов все еще проводятся с постоянно увеличивающейся точностью, при этом современные эксперименты сосредоточены на таких эффектах, как Планковский масштаб и в нейтрино сектор. Их результаты согласуются с предсказаниями специальной теории относительности. Сборники различных тестов предоставлены Якоб Лауб,^[1] Чжан,^[2] Маттингли,^[3] Клиффорд Уилл,^[4] и Робертс / Шлейф.^[5]

Специальная теория относительности ограничена плоское пространство-время, т.е., ко всем явлениям без значительного влияния гравитация. Последний лежит в области общая теория относительности и соответствующие тесты общей теории относительности должны быть рассмотрены.

Эксперименты, открывающие путь к теории относительности

Преобладающей теорией света в XIX веке была теория светоносный эфир, а стационарный среда, в которой свет распространяется аналогично тому, как звук распространяется по воздуху. По аналогии следует, что скорость света постоянна во всех направлениях в эфире и не зависит от скорости источника. Таким образом, наблюдатель, движущийся относительно эфира, должен измерять своего рода «эфирный ветер», даже если наблюдатель, движущийся относительно воздуха, измеряет встречный ветер.

Эксперименты первого порядка

Физо эксперимент, 1851

Начиная с работы Франсуа Араго (1810 г.) была проведена серия оптических экспериментов, которые должны были дать положительный результат для величин первого порядка по величине. v / c и, таким образом, должно было продемонстрировать относительное движение эфира. Однако результаты были отрицательными. Объяснение было предоставлено Огюстен Френель (1818) с введением вспомогательной гипотезы, так называемого «коэффициента увлечения», то есть материя в небольшой степени увлекает эфир. Этот коэффициент прямо продемонстрировал Физо эксперимент (1851). Позже было показано, что все оптические эксперименты первого порядка должны давать отрицательный результат из-за этого коэффициента. Кроме того, были проведены некоторые электростатические эксперименты первого порядка, которые снова дали отрицательные результаты. В общем, Хендрик Лоренц (1892, 1895) представили несколько новых вспомогательных переменных для движущихся наблюдателей, демонстрируя, почему все оптические и электростатические эксперименты первого порядка дали нулевые результаты. Например, Лоренц предложил переменную местоположения, с помощью которой электростатические поля сжимаются в линии движения, и другую переменную («местное время»), по которой временные координаты движущихся наблюдателей зависят от их текущего местоположения.^[1]

Эксперименты второго порядка

Интерферометр Майкельсона-Морли

Однако теория стационарного эфира дала бы положительные результаты, когда эксперименты были бы достаточно точными, чтобы измерить величины второго порядка в v / c. Альберт А. Михельсон провел первый эксперимент такого рода в 1881 г., за которым последовали более сложные Эксперимент Майкельсона-Морли в 1887 году. Два луча света, путешествующие в течение некоторого времени в разных направлениях, были вынуждены интерферировать, так что разные ориентации относительно эфирного ветра должны были привести к смещению интерференционные полосы. Но результат снова был отрицательным. Выходом из этой дилеммы стало предложение Джордж Фрэнсис Фицджеральд (1889) и Lorentz (1892), что материя сжимается по линии движения относительно эфира (сокращение длины ). То есть более старая гипотеза о сжатии электростатических полей была распространена на межмолекулярные силы. Однако, поскольку для этого не было теоретических оснований, была рассмотрена гипотеза сжатия. для этого случая.

Помимо оптического эксперимента Майкельсона – Морли, был также проведен его электродинамический эквивалент: Траутон – Благородный эксперимент. Тем самым следует продемонстрировать, что движущийся конденсатор должен подвергаться воздействию крутящий момент. В дополнение Эксперименты Рэлея и Брейса предназначен для измерения некоторых последствий сокращения длины в лабораторной раме, например, предположение, что это приведет к двулучепреломление. Хотя все эти эксперименты привели к отрицательным результатам. (The Эксперимент Траутона – Ренкина в 1908 г. также дали отрицательный результат при измерении влияния сокращения длины на электромагнитная катушка.)^[1]

Чтобы объяснить все эксперименты, проведенные до 1904 года, Лоренц был вынужден снова расширить свою теорию, введя полную Преобразование Лоренца. Анри Пуанкаре заявил в 1905 г., что невозможность продемонстрировать абсолютное движение (принцип относительности ), по-видимому, является законом природы.

Опровержения полного сопротивления эфира

Эфирная машина Лоджа. Стальные диски были диаметром один ярд. Белый свет был разделен светоделителем и трижды прошел вокруг устройства, прежде чем воссоединиться, образуя полосы.

Идея о том, что эфир может полностью затягиваться в пределах или вблизи Земли, с помощью которой можно было объяснить эксперименты с отрицательным дрейфом эфира, была опровергнута множеством экспериментов.

• Оливер Лодж (1893) обнаружили, что быстро вращающиеся стальные диски выше и ниже чувствительного интерферометрическая схема с общим трактом не удалось произвести измеримого сдвига бахромы.
• Густав Хаммар (1935) не удалось найти никаких доказательств перетаскивания эфира с помощью интерферометра с общим ходом, одно плечо которого было заключено в толстостенную трубу, заглушенную свинцом, а другое плечо было свободным.
• В Эффект Саньяка показал, что скорость двух световых лучей не зависит от вращения платформы.
• Существование аберрация света не соответствовало гипотезе сопротивления эфира.
• Предположение о том, что сопротивление эфира пропорционально массе и, следовательно, имеет место только по отношению к Земле в целом, было опровергнуто исследователями. Эксперимент Майкельсона – Гейла – Пирсона, который продемонстрировал эффект Саньяка через движение Земли.

Лодж выразил парадоксальную ситуацию, в которой оказались физики, следующим образом: «... ни при каких практически нереальных скоростях ... материя [имеет] сколько-нибудь заметную вязкую хватку на эфир. должен уметь приводить его в вибрацию, если они колеблются или вращаются с достаточной скоростью; в противном случае они бы не испускали свет или какое-либо излучение; но ни в коем случае не кажется, что они тянут его или встречают сопротивление при любом равномерном движении через него ".^[6]

Специальная теория относительности

Обзор

В конце концов, Альберт Эйнштейн (1905) пришел к выводу, что установленные теории и известные в то время факты образуют логически связную систему только тогда, когда концепции пространства и времени подвергаются фундаментальному пересмотру. Например:

• Электродинамика Максвелла-Лоренца (независимость скорости света от скорости источника),
• эксперименты с отрицательным дрейфом эфира (без предпочтительной системы отсчета),
• Проблема с подвижным магнитом и проводником (имеет значение только относительное движение),
• то Физо эксперимент и аберрация света (оба подразумевают модифицированное добавление скорости и отсутствие полного сопротивления эфира).

Результат специальная теория относительности теория, которая основана на постоянстве скорости света во всех инерциальные системы отсчета и принцип относительности. Здесь преобразование Лоренца больше не является просто набором вспомогательных гипотез, а отражает фундаментальные Симметрия Лоренца и составляет основу успешных теорий, таких как Квантовая электродинамика. Специальная теория относительности предлагает большое количество проверяемых предсказаний, таких как:^[7]

Фундаментальные эксперименты

Эксперимент Кеннеди-Торндайка

Эффекты специальной теории относительности можно феноменологически вывести из следующих трех фундаментальных экспериментов:^[8]

• Эксперимент Майкельсона-Морли, по которым зависимость скорости света от направление измерительного устройства можно протестировать. Он устанавливает соотношение между продольной и поперечной длинами движущихся тел.
• Кеннеди-Торндайк эксперимент, по которым зависимость скорости света от скорость измерительного устройства можно проверить. Он устанавливает связь между продольной длиной и продолжительностью движущихся тел.
• Эксперимент Айвса – Стилвелла, по которому замедление времени можно напрямую протестировать.

Из этих трех экспериментов и с помощью метода Пуанкаре -Синхронизация Эйнштейна следует полное преобразование Лоренца с ${ displaystyle gamma = 1 / { sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}}}}$ будучи Фактор Лоренца:^[8]

${ displaystyle x '= gamma (x-vt), y' = y, z '= z, t' = gamma left (t - { frac {vx} {c ^ {2}}) }правильно)}$

Помимо вывода преобразования Лоренца, комбинация этих экспериментов также важна, потому что их можно интерпретировать по-разному, если рассматривать их по отдельности. Например, эксперименты по изотропии, такие как Майкельсона-Морли, можно рассматривать как простое следствие принципа относительности, согласно которому любой движущийся по инерции наблюдатель может считать себя неподвижным. Следовательно, сам по себе эксперимент ММ совместим с галилеево-инвариантными теориями, такими как теория эмиссии или полная гипотеза сопротивления эфира, которые также содержат своего рода принцип относительности. Однако, когда рассматриваются другие эксперименты, исключающие галилеево-инвариантные теории (т.е. эксперимент Айвса – Стилвелла, различные опровержения эмиссионных теорий и опровержения полного увлечения эфира ), Лоренц-инвариантные теории и, следовательно, специальная теория относительности - единственные теории, которые остаются жизнеспособными.

Постоянство скорости света

Интерферометры, резонаторы

Эксперимент Майкельсона-Морли с криогенными оптическими резонаторами такой формы, какой использовал Мюллер. и другие. (2003), см. Недавние эксперименты с оптическим резонатором

Современные варианты Майкельсона-Морли и Кеннеди-Торндайк эксперименты были проведены с целью проверки изотропия скорости света. В отличие от Майкельсона-Морли, эксперименты Кеннеди-Торндайка используют разную длину руки, и оценки длятся несколько месяцев. Таким образом, можно наблюдать влияние различных скоростей на орбите Земли вокруг Солнца. Лазер, мазер и оптические резонаторы используются, уменьшая возможность любой анизотропии скорости света до 10⁻¹⁷ уровень. Помимо земных испытаний, Эксперименты по лазерной локации Луны также проводились как вариант эксперимента Кеннеди-Торндайка.^[4]

Другой тип экспериментов по изотропии - это Мессбауэровские эксперименты с ротором в 1960-х годах, когда анизотропию эффекта Доплера на вращающемся диске можно было наблюдать с помощью Эффект Мёссбауэра (эти эксперименты также могут быть использованы для измерения замедления времени, см. ниже).

Отсутствие зависимости от скорости или энергии источника

В эксперимент с двойной звездой де Ситтера, позже повторенный Брехером при рассмотрении теоремы вымирания.

Теории выбросов, согласно которому скорость света зависит от скорости источника, можно предположительно объяснить отрицательный результат экспериментов по дрейфу эфира. Только в середине 1960-х годов постоянство скорости света было окончательно продемонстрировано экспериментально, поскольку в 1965 году Дж. Г. Фокс показали, что эффекты теорема вымирания сделали результаты всех предшествующих экспериментов неубедительными и, следовательно, совместимыми как со специальной теорией относительности, так и с теорией излучения.^[9][10] Более поздние эксперименты определенно исключили эмиссионную модель: самые ранние из них были выполнены Филиппасом и Фоксом (1964),^[11] с использованием движущихся источников гамма-излучения, а Alväger et al. (1964),^[12] который продемонстрировал, что фотоны не приобретают скорость распадающихся мезонов, являющихся их источником. В дополнение эксперимент с двойной звездой де Ситтера (1913) был повторен Брехером (1977) при рассмотрении теоремы о вымирании, исключая также зависимость от источника.^[13]

Наблюдения за Гамма-всплески также продемонстрировал, что скорость света не зависит от частоты и энергии световых лучей.^[14]

Скорость света в одну сторону

Была проведена серия односторонних измерений, все они подтвердили изотропию скорости света.^[5] Однако только двусторонняя скорость света (от A к B обратно к A) может быть однозначно измерена, поскольку односторонняя скорость зависит от определения одновременности и, следовательно, от метода синхронизации. Пуанкаре-Синхронизация Эйнштейна согласно соглашению, скорость в одном направлении равна скорости в двух направлениях. Однако существует много моделей, имеющих изотропную двустороннюю скорость света, в которых односторонняя скорость является анизотропной из-за выбора различных схем синхронизации. Они экспериментально эквивалентны специальной теории относительности, поскольку все эти модели включают такие эффекты, как замедление времени движущихся часов, которые компенсируют любую измеримую анизотропию. Однако из всех моделей, имеющих изотропную двустороннюю скорость, только специальная теория относительности приемлема для подавляющего большинства физиков, поскольку все другие виды синхронизации намного сложнее, а другие модели (например, Теория эфира Лоренца ) основаны на крайних и неправдоподобных предположениях относительно некоторых динамических эффектов, которые направлены на то, чтобы скрыть «предпочтительный кадр» от наблюдения.

Изотропия массы, энергии и пространства

⁷Li-ЯМР спектр LiCl (1M) в D₂О. Резкая, неразделенная линия ЯМР этого изотопа лития свидетельствует об изотропии массы и пространства.

Эксперименты по сравнению часов (периодические процессы и частоты можно рассматривать как часы), такие как Эксперименты Хьюза-Древера обеспечить строгие испытания Лоренц-инвариантность. Они не ограничиваются фотонным сектором, как Майкельсона-Морли, но напрямую определяют любую анизотропию массы, энергии или пространства, измеряя основное состояние ядра. Верхний предел такой анизотропии 10⁻³³ ГэВ были предоставлены. Таким образом, эти эксперименты являются одними из самых точных проверок лоренц-инвариантности, когда-либо проводившихся.^[3][4]

Замедление времени и сокращение длины

Эксперимент Айвса – Стилвелла (1938).)

В поперечный эффект Доплера и, следовательно, замедление времени было впервые непосредственно замечено в Эксперимент Айвса – Стилвелла (1938). В современные эксперименты Айвса-Стилуэлла в тяжелом ионе кольца для хранения с помощью насыщенная спектроскопия, максимальное измеренное отклонение замедления времени от релятивистского прогноза было ограничено ≤ 10⁻⁸. Другие подтверждения замедления времени включают: Мессбауэровские эксперименты с ротором в котором гамма лучи были отправлены из середины вращающегося диска в приемник на краю диска, так что поперечный эффект Доплера может быть оценен с помощью Эффект Мёссбауэра. Измеряя срок службы мюоны в атмосфере и в ускорителях частиц также было проверено замедление времени движущихся частиц. С другой стороны, Эксперимент Хафеле – Китинга подтвердил решение парадокс близнецов, т.е. что часы, движущиеся от A к B обратно к A, отстают по сравнению с начальными часами. Однако в этом эксперименте эффекты общая теория относительности также играют важную роль.

Прямое подтверждение сокращение длины на практике трудно осуществить, поскольку размеры наблюдаемых частиц исчезающе малы. Однако есть косвенные подтверждения; например, поведение при столкновении тяжелых ионы можно объяснить только в том случае, если учесть их повышенную плотность из-за лоренцевского сжатия. Сокращение также приводит к увеличению интенсивности Кулоновское поле перпендикулярно направлению движения, эффекты которого уже наблюдались. Следовательно, при проведении экспериментов на ускорителях частиц необходимо учитывать как замедление времени, так и сокращение длины.

Релятивистский импульс и энергия

Экспериментальная установка Бюхерера для измерения удельного заряда Эм из β⁻ электроны в зависимости от их скорости v / c. (Поперечное сечение оси круглого конденсатора с бета-источником в его центре под углом α к магнитному полю H)

Начиная с 1901 г. была проведена серия измерений, направленных на демонстрацию зависимости массы тела от скорости. электроны. Результаты действительно показали такую ​​зависимость, но точность, необходимая для различения конкурирующих теорий, долгое время оспаривалась. В конце концов, можно было окончательно исключить все конкурирующие модели, кроме специальной теории относительности.

Сегодня предсказания специальной теории относительности регулярно подтверждаются ускорители частиц такой как Релятивистский коллайдер тяжелых ионов. Например, рост релятивистского импульс и энергия не только точно измеряется, но и необходима для понимания поведения циклотроны и синхротроны и т. д., с помощью которых частицы ускоряются примерно до скорости света.

Саньяк и Физо

Оригинальный интерферометр Саньяка

Специальная теория относительности также предсказывает, что два световых луча, движущиеся в противоположных направлениях по вращающемуся замкнутому пути (например, петле), требуют разного времени полета, чтобы вернуться к движущемуся излучателю / приемнику (это является следствием независимости скорости света от скорости света). скорость источника, см. выше). Этот эффект действительно наблюдался и получил название Эффект Саньяка. В настоящее время учет этого эффекта необходим для многих экспериментальных установок и для правильного функционирования GPS.

Если такие эксперименты проводятся в движущихся средах (например, вода или стекло оптоволокно ), также необходимо учитывать коэффициент увлечения Френеля, что демонстрирует Физо эксперимент. Хотя этот эффект первоначально понимался как свидетельство почти неподвижного эфира или частичного сопротивления эфира, его можно легко объяснить с помощью специальной теории относительности, используя закон скоростного состава.

Теории испытаний

Было разработано несколько тестовых теорий для оценки возможного положительного результата экспериментов с нарушением Лоренца путем добавления определенных параметров к стандартным уравнениям. К ним относятся рамки Робертсона-Мансури-Секса (RMS) и Расширение стандартной модели (МСБ). RMS имеет три проверяемых параметра в отношении сокращения длины и замедления времени. Отсюда можно оценить любую анизотропию скорости света. С другой стороны, SME включает множество параметров нарушения Лоренца не только для специальной теории относительности, но и для теории относительности. Стандартная модель и Общая теория относительности также; таким образом, он имеет гораздо большее количество тестируемых параметров.

Другие современные тесты

В связи с разработками, касающимися различных моделей Квантовая гравитация В последние годы отклонения от лоренц-инвариантности (возможно, вытекающие из этих моделей) снова стали мишенью экспериментаторов. Поскольку "локальная лоренц-инвариантность" (ЛЛИ) также выполняется в свободно падающих системах отсчета, эксперименты, касающиеся слабой Принцип эквивалентности относятся также к этому классу тестов. Результаты анализируются теориями тестирования (как упоминалось выше), такими как RMS, или, что более важно, SME.^[3]

• Помимо упомянутых вариантов экспериментов Майкельсона – Морли и Кеннеди – Торндайка, Эксперименты Хьюза-Древера продолжают проводиться испытания изотропии в протон и нейтрон сектор. Для выявления возможных отклонений в электрон сектор спин-поляризованный торсионные весы используются.
• Замедление времени подтверждается тяжелым ион кольца для хранения, например, TSR на MPIK, наблюдая эффект Доплера литий, и эти эксперименты действительны в электронном, протонном и фотонном секторах.
• Другие эксперименты используют Ловушки Пеннинга наблюдать отклонения циклотронное движение и Ларморова прецессия в электростатическом и магнитном полях.
• Возможные отклонения от Симметрия CPT (нарушение которого также представляет собой нарушение лоренц-инвариантности) может быть определено в экспериментах с нейтральным мезоны, Ловушки Пеннинга и мюоны, увидеть Тестирование антивещества на нарушение Лоренца.
• Астрономические испытания проводятся в связи с временем полета фотонов, где факторы нарушения Лоренца могут вызвать аномальная дисперсия и двулучепреломление что приводит к зависимости фотонов от энергия, частота или поляризация.
• Что касается пороговая энергия далеких астрономических объектов, но также и земных источников, нарушения Лоренца могут привести к изменению стандартных значений для процессов, вытекающих из этой энергии, таких как Вакуум Черенковское излучение, или модификации синхротронное излучение.
• Колебания нейтрино (увидеть Лоренц-инвариантные осцилляции нейтрино ) и скорость нейтрино (увидеть измерения скорости нейтрино ) исследуются на предмет возможных нарушений Лоренца.
• Другими кандидатами на астрономические наблюдения являются Предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина. и Воздушные диски. Последний исследуется, чтобы найти возможные отклонения лоренц-инвариантности, которые могут вывести фотоны из фазы.
• Наблюдения в Хиггс сектор в пути.

Смотрите также

• Тесты общей теории относительности
• История специальной теории относительности
• Тестовые теории специальной теории относительности

использованная литература