Тесты специальной теории относительности - Tests of special relativity

Специальная теория относительности - это физическая теория, которая играет фундаментальную роль в описании всех физических явлений, если 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 до сих пор проводятся с постоянно увеличивающейся точностью, при этом современные эксперименты сосредоточены на эффектах, таких как масштаб Планка и нейтринный сектор. Их результаты согласуются с предсказаниями специальной теории относительности. Сборники различных тестов предоставленыЯкоб Лауб , Чжан, Маттингли, Клиффорд Уилл и Робертс / Шлейф.

Специальная теория относительности ограничена плоским пространством-временем , т. Е. Всеми явлениями без значительного влияния гравитации . Последнее относится к области общей теории относительности, и необходимо учитывать соответствующие тесты общей теории относительности .

Эксперименты, открывающие путь к теории относительности

Преобладающей теорией света в XIX веке была теория светоносного эфира , неподвижной среды, 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», так же как наблюдатель, движущийся относительно воздуха, измеряет вымпельный ветер .

Эксперименты первого порядка

Эксперимент Физо , 1851 г.

Начиная с работы Франсуа Араго (1810 г.), была проведена серия оптических экспериментов, которые должны были дать положительный результат для величин первого порядка по v / c и, таким образом, должны были продемонстрировать относительное движение эфира. Однако результаты были отрицательными. Объяснение было дано Огюстином Френелем (1818) с введением вспомогательной гипотезы, так называемого «коэффициента увлечения», то есть материя в небольшой степени увлекает эфир. Этот коэффициент был непосредственно продемонстрирован экспериментом Физо (1851 г.). 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) ввел 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.

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 по v / c . Альберт А. Майкельсон провел первый эксперимент такого рода в 1881 году, за ним последовал более сложный эксперимент Майкельсона-Морли в 1887 году. Два луча света, путешествовавшие в течение некоторого времени в разных направлениях, были вынуждены интерферировать, так что разные ориентации относительно света эфирный ветер должен приводить к смещению интерференционных полос . Но результат снова был отрицательным. Выходом из этой дилеммы было предложение Джорджа Фрэнсиса Фитцджеральда (1889) и Лоренца (1892) о том, 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, гипотеза сокращения была сочтена специальной .

Помимо оптического эксперимента Майкельсона – Морли, был также проведен его электродинамический эквивалент - эксперимент Траутона – Нобла . Этим следует продемонстрировать, что движущийся конденсатор должен подвергаться воздействию крутящего момента . Кроме того, эксперименты Рэлея и Брейса предназначались для измерения некоторых последствий сокращения длины в лабораторной раме, например, предположения, что это приведет к двойному лучепреломлению . Хотя все эти эксперименты привели к отрицательным результатам. ( Эксперимент Траутона-Ренкина, проведенный в 1908 году, также дал отрицательный результат при измерении влияния сокращения длины на электромагнитную катушку .)

Чтобы объяснить все эксперименты, проведенные до 1904 года, Лоренц был вынужден снова расширить свою теорию, введя полное преобразование Лоренца . Анри Пуанкаре заявил в 1905 году, 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) обнаружил, что быстро вращающиеся стальные диски над и под чувствительной интерферометрической схемой с общей траекторией не смогли произвести измеримого сдвига полосы.
• Густав Хаммар (1935) не смог найти никаких доказательств увлечения эфира с помощью интерферометра общего пути, одно плечо которого было заключено в толстостенную трубку, заглушенную свинцом, а другое плечо было свободным.
• Эффект Саньяка показал, что вращение платформы не влияет на скорость двух световых лучей.
• Существование аберрации света противоречило гипотезе сопротивления эфира.
• Предположение, что сопротивление эфира пропорционально массе и, следовательно, происходит только по отношению к Земле в целом, было опровергнуто экспериментом 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] какое-либо заметное вязкое сцепление с эфиром. Атомы должны иметь возможность приводить его в вибрацию, если они могут колеблющиеся или вращающиеся с достаточной скоростью; в противном случае они не испускали бы 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 ».

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 движущимся магнитом и проводником (актуально только относительное движение),
• эксперимент Физо и аберрация света (как подразумевающее модифицированного сложения скоростей и не полное сопротивление эфира).

Результатом является специальная теория относительности , которая основана на постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета и принципе относительности . Здесь преобразование Лоренца больше не является простым набором вспомогательных гипотез, но отражает фундаментальную симметрию Лоренца и составляет основу успешных теорий, таких как квантовая электродинамика . Специальная теория относительности предлагает большое количество проверяемых предсказаний, таких как:

Фундаментальные эксперименты

Эксперимент Кеннеди-Торндайка

Эффекты специальной теории относительности можно феноменологически вывести из следующих трех фундаментальных экспериментов:

• Эксперимент Майкельсона – Морли , с помощью которого можно проверить зависимость скорости света от направления измерительного устройства. Он устанавливает соотношение между продольной и поперечной длинами движущихся тел.
• Кеннеди-Торндайк , с помощью которого можно проверить зависимость скорости света от скорости измерительного устройства. Он устанавливает связь между продольной длиной и продолжительностью движущихся тел.
• Эксперимент Айвса – Стилвелла , с помощью которого можно непосредственно проверить замедление времени .

Из этих трех экспериментов и с использованием синхронизации Пуанкаре- Эйнштейна следует полное преобразование Лоренца, являющееся фактором Лоренца : ${\ displaystyle \ gamma = 1 / {\ sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}}}}$

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

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 излучения или гипотеза полного сопротивления эфира , которые также содержат своего рода принцип относительности. Однако, когда рассматриваются другие эксперименты, исключающие галилеево-инвариантные теории ( например, эксперимент Айвса-Стилвелла, различные опровержения эмиссионных теорий и опровержения полного увлечения эфиром ), лоренц-инвариантные теории и, следовательно, специальная теория относительности остаются единственными теориями, которые остаются жизнеспособными. .

Постоянство скорости света

Интерферометры, резонаторы

Эксперимент Майкельсона-Морли с криогенными оптическими резонаторами такой формы, какой был использован Müller et al. (2003), см. Недавние эксперименты с оптическим резонатором.

Для проверки изотропии скорости света были проведены современные варианты экспериментов Майкельсона-Морли и Кеннеди-Торндайка . 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. Используются лазерный , мазерный и оптический резонаторы , снижающие возможность любой анизотропии скорости света до уровня 10 ⁻¹⁷ . В дополнение к наземным испытаниям, также проводились эксперименты с лазерным дальномером Луны как разновидность эксперимента Кеннеди-Торндайка.

Другим типом экспериментов с изотропией являются эксперименты с ротором Мессбауэра в 1960-х годах, с помощью которых можно наблюдать анизотропию эффекта Доплера на вращающемся диске с помощью эффекта Мессбауэра (эти эксперименты также могут быть использованы для измерения замедления времени, см. Ниже).

Отсутствие зависимости от скорости или энергии источника

Де Ситтера двойная звезда эксперимент , позже повторил Бречером при рассмотрении теоремы угасания.

Теории излучения , согласно которым скорость света зависит от скорости источника, предположительно могут объяснить отрицательный результат экспериментов по дрейфу эфира. Только в середине 1960-х годов постоянство скорости света было окончательно продемонстрировано экспериментом, так как в 1965 году Дж. Г. Фокс показал, что эффекты теоремы вымирания сделали результаты всех предшествующих тому времени экспериментов неубедительными, и следовательно, совместим как со специальной теорией относительности, так и с теорией излучения. Более поздние эксперименты определенно исключили модель излучения: самые ранние из них были выполнены Филиппасом и Фоксом (1964), в которых использовались движущиеся источники гамма-лучей, а также Альвэгер и др. (1964), который продемонстрировал, что фотоны не приобретают скорость распадающихся мезонов, являющихся их источником. Кроме того, эксперимент с двойной звездой де Ситтера (1913) был повторен Брехером (1977) с учетом теоремы поглощения, исключая также зависимость от источника.

Наблюдения за гамма-всплесками также показали, что скорость света не зависит от частоты и энергии световых лучей.

Скорость света в одну сторону

Была проведена серия односторонних измерений, все они подтвердили изотропию скорости света. 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. Соглашение о синхронизации Пуанкаре- Эйнштейна делает одностороннюю скорость равной двусторонней. 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 эти другие модели (например, теория эфира Лоренца ) основаны на крайних и неправдоподобных предположениях. по поводу некоторых динамических эффектов, которые направлены на то, чтобы скрыть «предпочтительный кадр» от наблюдения.

Изотропия массы, энергии и пространства

⁷ Li-ЯМР-спектр LiCl (1M) в D ₂ O. 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, обеспечивают строгие проверки на лоренц-инвариантность . Они не ограничиваются фотонным сектором, как Майкельсона-Морли, но напрямую определяют любую анизотропию массы, энергии или пространства, измеряя основное состояние ядер . Приведен верхний предел такой анизотропии 10 ⁻³³ ГэВ . Таким образом, эти эксперименты являются одними из самых точных проверок лоренц-инвариантности, когда-либо проводившихся.

Замедление времени и сокращение длины

Эксперимент Айвса – Стилвелла (1938).)

Эффект Доплера поперечной и , следовательно , замедление времени непосредственно наблюдались впервые в эксперименте Айвз-Stilwell (1938). В современных экспериментах Айвса-Стилуэлла в накопителях тяжелых ионов с использованием насыщенной спектроскопии максимальное измеренное отклонение замедления времени от релятивистского предсказания было ограничено ≤ 10 ⁻⁸ . Другие подтверждения замедления времени включают эксперименты с ротором Мёссбауэра, в которых гамма-лучи направлялись из середины вращающегося диска в приемник на краю диска, так что поперечный эффект Доплера можно было оценить с помощью эффекта Мессбауэра . Измеряя время жизни мюонов в атмосфере и в ускорителях частиц, также было проверено замедление времени движущихся частиц. С другой стороны, эксперимент Хафеле-Китинга подтвердил разрешение двойного парадокса , то есть, что часы, движущиеся от A к B обратно к A, отстают по отношению к начальным часам. Однако в этом эксперименте существенную роль также играют эффекты общей теории относительности .

Прямого подтверждения сокращения длины на практике добиться трудно, поскольку размеры наблюдаемых частиц исчезающе малы. Однако есть косвенные подтверждения; например, поведение сталкивающихся тяжелых ионов можно объяснить только в том случае, если учесть их повышенную плотность из-за лоренц-сжатия. Сжатие также приводит к увеличению напряженности кулоновского поля, перпендикулярного 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 e / m β ^- электронов 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 электронов от скорости . 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 на ускорителях частиц, таких как релятивистский коллайдер тяжелых ионов . Так , например, увеличение релятивистского импульса и энергии не только точно измерить , но и необходимо , чтобы понять поведение циклотронах и синхротронах и т.д., с помощью которых происходит ускорение частиц близко к скорости света.

Саньяк и Физо

Оригинальный интерферометр Саньяка

Специальная теория относительности также предсказывает, что два световых луча, движущихся в противоположных направлениях вокруг вращающегося замкнутого пути (например, петли), 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 эффекта 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, воде или стекловолокне ), необходимо также учитывать коэффициент увлечения Френеля, как показано в эксперименте Физо . 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 скоростной композиции .

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 структура Робертсона-Мансури-Секса (RMS) и расширение стандартной модели (SME). RMS имеет три проверяемых параметра в отношении сокращения длины и замедления времени. Отсюда можно оценить любую анизотропию скорости света. С другой стороны, SME включает в себя множество параметров нарушения Лоренца не только для специальной теории относительности, но также для Стандартной модели и общей теории относительности ; таким образом, он имеет гораздо большее количество тестируемых параметров.

Другие современные тесты

Из-за разработок, касающихся различных моделей квантовой гравитации в последние годы, отклонения лоренц-инвариантности (возможно, вытекающие из этих моделей) снова становятся целью экспериментаторов. Поскольку «локальная лоренц-инвариантность» (LLI) также выполняется в свободно падающих системах отсчета, эксперименты, касающиеся слабого принципа эквивалентности, также относятся к этому классу тестов. Результаты анализируются теориями тестирования (как упоминалось выше), такими как RMS, или, что более важно, SME.

• Помимо упомянутых вариаций экспериментов Майкельсона-Морли и Кеннеди-Торндайка, продолжают проводиться эксперименты Хьюза-Древера для испытаний изотропии в протонном и нейтронном секторах. Для обнаружения возможных отклонений в электронном секторе используются спин-поляризованные торсионные весы .
• Замедление времени подтверждается в накопительных кольцах тяжелых ионов , таких как TSR в MPIK , наблюдением эффекта Доплера лития , и эти эксперименты действительны в электронном, протонном и фотонном секторах.
• В других экспериментах ловушки Пеннинга используются для наблюдения отклонений циклотронного движения и ларморовской прецессии в электростатических и магнитных полях.
• Возможные отклонения от CPT-симметрии (нарушение которых также представляет собой нарушение лоренц-инвариантности) могут быть определены в экспериментах с нейтральными мезонами , ловушками Пеннинга и мюонами , см. Тесты антиматерии на нарушение Лоренца .
• Астрономические испытания проводятся в связи с временем полета фотонов, где факторы, нарушающие Лоренц, могут вызвать аномальную дисперсию и двойное лучепреломление, что приведет к зависимости фотонов от энергии , частоты или поляризации .
• Что касается пороговой энергии далеких астрономических объектов, но также и земных источников, нарушения Лоренца могут привести к изменению стандартных значений для процессов, следующих из этой энергии, таких как вакуумное черенковское излучение или модификации синхротронного излучения .
• Осцилляции нейтрино (см. Осцилляции нейтрино с нарушением лоренц-инвариантности ) и скорость нейтрино (см. Измерения скорости нейтрино ) исследуются на предмет возможных нарушений Лоренца.
• Другими кандидатами на астрономические наблюдения являются предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина и диски Эйри . Последний исследуется, чтобы найти возможные отклонения лоренц-инвариантности, которые могут вывести фотоны из фазы.
• Наблюдения в секторе Хиггса продолжаются.

Смотрите также

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

Ссылки