Yksisuuntainen valonnopeus

Yksisuuntainen valonnopeus - valon nopeus suorassa linjassa (ilman heijastuksia) lähteestä vastaanottimeen, joka käyttää erilaisia kelloja. Kun käytetään termiä " valon nopeus ", on joskus tarpeen erottaa sen yksisuuntainen nopeus ja kaksisuuntainen nopeus. Valon yksisuuntaista nopeutta lähteestä vastaanottimeen ei voida mitata riippumatta siitä, miten lähteen ja vastaanottimen kellot synkronoidaan. On kuitenkin kokeellisesti mahdollista mitata edestakaisen matkan nopeus (tai kaksisuuntainen valon nopeus ), kun lähde ja vastaanotin toimivat samoissa olosuhteissa samalla kellolla. Tämä voi olla polku lähteestä toiseen vastaanottimeen, joka lähettää signaalin välittömästi takaisin, tai lähteestä peiliin ja takaisin. Albert Einstein valitsi sellaisen ajoituskäytännön (katso Einsteinin ajoitus ), joka teki yksisuuntaisen nopeuden yhtä suureksi kuin kaksisuuntainen nopeus. Yksisuuntaisen nopeuden vakioisuus missä tahansa tietyssä inertiakehyksessä on hänen erityissuhteellisuusteoriansa ytimessä , vaikka kaikki teorian kokeellisesti todennettavissa olevat ennusteet ovat riippumattomia tästä sopimuksesta [1] [2] .

Kaikki kokeet, joissa yritettiin mitata suoraan yksisuuntaista valonnopeutta ajastuksesta riippumatta, epäonnistuivat [3] . Nämä kokeet osoittavat suoraan, että hidas kellon synkronointi vastaa Einsteinin synkronointia, joka on erityissuhteellisuusteorian tärkeä piirre. Vaikka nämä kokeet eivät suoraan vahvista yksisuuntaisen valonnopeuden isotropiaa , koska on osoitettu, että kellon hidas liike, Newtonin liikelait ja inertiaaliset vertailukehykset sisältävät jo oletuksen isotrooppisesta yksisuuntaisesta nopeudesta. valosta [4] . Yleensä näiden kokeiden on osoitettu olevan yhdenmukaisia anisotrooppisen yksisuuntaisen valonnopeuden kanssa, jos valon kaksisuuntainen nopeus on isotrooppinen [1] [5] .

"Valon nopeus" tässä artikkelissa tarkoittaa kaiken sähkömagneettisen säteilyn nopeutta tyhjiössä

Kaksisuuntainen nopeus

Kaksisuuntainen valonnopeus on valon keskimääräinen nopeus yhdestä pisteestä, kuten lähteestä, peiliin ja takaisin. Koska valo alkaa ja päättyy samassa paikassa, kokonaisajan mittaamiseen tarvitaan vain yksi kello, joten tämä nopeus voidaan määrittää kokeellisesti kellonajastuskaaviosta riippumatta. Kaikki mittaukset, joissa valo kulkee suljettua reittiä, katsotaan kaksisuuntaiseksi nopeusmittaukseksi.

Monet erityissuhteellisuusteorian kokeet, kuten Michelson-Morley-koe ja Kennedy-Thorndike- koe , ovat osoittaneet tiukoissa rajoissa, että valon kaksisuuntainen nopeus inertiakehyksessä on isotrooppinen ja riippumaton suljetusta polusta. Isotrooppisissa Michelson-Morley-tyyppisissä kokeissa ei käytetä ulkoista kelloa mittaamaan suoraan valonnopeutta, vaan vertaillaan kahta sisäistä taajuutta tai kahta kelloa. Siksi tällaisia kokeita kutsutaan joskus "kellon anisotropiakokeiksi", koska Michelson-interferometrin jokaista vartta voidaan pitää valokellona , jolla on tietty nopeus (nopeus) orientaatiosta riippuen [6] .

Vuodesta 1983 lähtien mittari on "määritelty" matkaksi, jonka valo kulkee tyhjiössä 1⁄299.792.458 sekunnissa [ 7 ] . Tämä tarkoittaa, että valon nopeutta ei voida enää kokeellisesti mitata SI-yksiköissä, vaan metrin pituutta voidaan verrata kokeellisesti joihinkin muihin pituusstandardeihin.

Yksisuuntainen nopeus

Vaikka keskinopeus kaksisuuntaisella liikeradalla voidaan mitata, yksisuuntainen nopeus yhteen tai toiseen suuntaan on määrittelemätön (eikä vain tuntematon), kunnes on määritetty, mikä on "sama aika" kahdessa eri paikassa. Jotta voit mitata ajan, joka kuluu valon kulkemiseen paikasta toiseen, sinun on tiedettävä samalla aika-asteikolla mitatut aloitus- ja lopetusajat. Tämä vaatii joko kahta synkronoitua kelloa, yhden polun alussa ja toisen lopussa, tai tavan toimittaa signaali välittömästi alusta loppuun. Mutta ei ole välittömiä tapoja siirtää tietoa. Siten keskimääräisen yksisuuntaisen nopeuden mitattu arvo riippuu menetelmästä, jolla kellot synkronoidaan aloitus- ja maalipisteissä, ja se on sopimuskysymys. Lorentzin muunnokset määritellään siten, että valon yksisuuntainen nopeus mitataan valitusta inertiavertailukehyksestä riippumatta [8] .

Jotkut kirjailijat, kuten Mansouri ja Sexl (1977) [9] [10] ja Will (1992) [11] ovat väittäneet, että tämä ongelma ei vaikuta valon yksisuuntaisen nopeuden isotropian mittaamiseen, esim. riippuvaiseksi muutossuunnasta suhteessa valittuun (eetterilliseen) viitekehykseen Σ. He perustivat analyysinsä RMS - teorian erityiseen tulkintaan koskien kokeita , joissa valo seuraa yksisuuntaista polkua ja hidasta kellonsiirtoa . Will myönsi, että nopeutta ei ollut mahdollista mitata yhteen suuntaan kahden kellon välillä käyttämällä lentoaikamenetelmää ilman ajastuspiiriä, vaikka hän väitti: "" ... valonnopeuden isotropian testauksen tulokset kahden kellon välillä, johtuen etenemisreitin suunnan muutoksesta suhteessa Σ:hen, ei tarvitse riippua siitä, kuinka ne synkronoitiin..." Hän lisäsi, että eetteriteoriat voidaan sovittaa yhteen suhteellisuusteorian kanssa vain ottamalla käyttöön ad hoc hypoteesi [11] Myöhemmissä kirjoituksissa (2005, 2006) Will viittaa näihin kokeisiin mittauksena " valon nopeuden isotropia käyttämällä yksisuuntaista etenemistä " [6] [12] .

Kuitenkin muut, kuten Zhang (1995, 1997) [1] [13] ja Anderson 'et al. (1998) [2] osoitti, että tämä tulkinta on virheellinen. Esimerkiksi Anderson ym. totesivat, että samanaikaisuuden sopimusta tulisi harkita jo ensisijaisessa vertailukehyksessä, joten kaikki oletukset valon yksisuuntaisen nopeuden ja muiden nopeuksien isotropiasta tässä kehyksessä ovat myös yksimielisiä. Siksi RMS on edelleen hyödyllinen testiteoria Lorentzin invarianssin ja kaksisuuntaisen valonnopeuden analysoinnissa, mutta ei yksisuuntaista valonnopeutta. He päättelivät: "...ei voi edes toivoa valonnopeuden isotropian testaamista ilman, että saman kokeen aikana saadaan ainakin yksipuolinen numeerinen arvo, joka olisi ristiriidassa synkronisuussopimuksen kanssa." [2] Käyttäen yleistyksiä Lorentz-muunnoksista anisotrooppisilla yksisuuntaisilla nopeuksilla Zhang ja Anderson huomauttivat, että kaikkien tapahtumien ja kokeellisten tulosten, jotka ovat yhteensopivia Lorentz-muunnosten ja isotrooppisen yksisuuntaisen valonnopeuden kanssa, on oltava myös yhteensopivia muunnosten kanssa, jotka pitävät kaksisuuntaisen. valon nopeus vakio ja isotrooppinen ja sallivat anisotrooppiset yksisuuntaiset nopeudet.

Synkronointikäytännöt

Tapa, jolla etäkellot synkronoidaan, voi vaikuttaa kaikkiin matkaan liittyviin aikamittauksiin, kuten nopeus- tai kiihtyvyysmittauksiin. Isotropiakokeissa samanaikaisuussopimuksia ei useinkaan ilmaista suoraan, vaan ne ovat implisiittisiä koordinaattien määrittelyssä tai fysiikan laeissa [2] .

Synkronointi Einsteinin menetelmällä

Tämä menetelmä synkronoi etäkellot niin, että yksisuuntainen valonnopeus muuttuu kaksisuuntaiseksi. Jos signaali, joka lähetetään A:sta hetkellä t , saapuu B:hen hetkellä t ja palaa A:hen hetkellä t , pätee seuraava sopimus: $t_{1}$ $t_{2}$ ${\näyttötyyli t_{3))$

t_{2}=t_{1}+{\tfrac {1}{2}}\left(t_{3}-t_{1}\right)

Hidas kellonsiirto

On helppo osoittaa, että jos kaksi kelloa ovat lähellä ja synkronoidut, ja sitten yksi kello poistetaan nopeasti ja laitetaan takaisin paikalleen, niin kaksi kelloa eivät enää ole synkronoituja aikalaajenemisen vuoksi . Tämä on todistettu monissa kokeissa ja se liittyy kaksoisparadoksiin [14] [15] .

Kuitenkin, jos yhtä kelloa siirretään hitaasti kehyksessä S ja tuodaan takaisin ensimmäiseen, ne pysyvät käytännössä synkronisina palatessaan. Kellot voivat pysyä tahdistettuina mielivaltaiseen tarkkuuteen, jos niitä liikutetaan tarpeeksi hitaasti. Olettaen, että kellot pysyvät aina synkronoituina hitaan siirron aikana, vaikka ne olisi erotettu toisistaan, tällä menetelmällä voidaan synkronoida kaksi spatiaalisesti erotettua kelloa. Rajassa, jolloin siirtonopeus pyrkii nollaan, tämä menetelmä vastaa kokeellisesti ja teoreettisesti Einsteinin synkronointia [4] . Vaikka aikalaajennuksen vaikutusta tähän kelloon ei voida jättää huomiotta analysoitaessa toisessa liikkuvassa vertailukehyksessä S', se selittää, miksi kello pysyy synkronoituna S:ssä, vaikka se ei ole synkronoitu referenssikehyksessä S', mikä osoittaa samanaikaisuuden suhteellisuuden . Einsteinin synkronointi [16] . Siksi näiden kelloajoitusmenetelmien välisen vastaavuuden tarkistaminen on erityisen suhteellisuusteorian kannalta tärkeää, ja jotkin kokeet, joissa valo seuraa yksisuuntaista polkua, ovat osoittaneet tämän vastaavuuden suurella tarkkuudella.

Epätyypillinen synkronointi

Kuten Hans Reichenbach ja Adolf Grünbaum ovat osoittaneet , Einsteinin synkronointi on vain erikoistapaus yleisemmästä synkronointitapauksesta, joka jättää valon kaksisuuntaisen nopeuden muuttumattomaksi, mutta sallii erilaiset yksisuuntaiset nopeudet. Yleisessä tapauksessa Einsteinin synkronointikaavaa muutetaan korvaamalla ½ arvolla ε: [4]

t_{2}=t_{1}+\varepsilon \left(t_{3}-t_{1}\right).

ε:n arvot voivat olla 0 ja 1 välillä. On osoitettu, että tätä kaaviota voidaan käyttää havainnollisesti vastaaviin Lorentz-muunnoksen uudelleenformulaatioihin, katso Lorentz -muunnosten yleistykset anisotrooppisilla yksisuuntaisilla nopeuksilla .

Einsteinin synkronoinnin ja hitaan kelloliikkeen välisen kokeellisesti vahvistetun ekvivalenssin mukaisesti, mikä edellyttää tuntemista liikkuvan kellon aikalaajennuksesta, myös epästandardien synkronointien pitäisi vaikuttaa aikadilataatioon. Itse asiassa on osoitettu, että liikkuvan kellon aikalaajennus riippuu hänen kaavassaan käytetystä yksisuuntaisesta nopeussopimuksesta [17] . Eli aikadilataatiota voidaan mitata synkronoimalla kaksi paikallaan olevaa kelloa A ja B ja vertaamalla niihin liikkuvan kellon C lukemia. Ajan ja B:n ajoituskäytännön muuttaminen tekee aikalaajennusta (sekä yksisuuntaista valonnopeutta). ) suunnasta riippuen. Sama sopimus pätee myös aikalaajennusvaikutukseen Doppler-ilmiöön [18] . Vain silloin, kun aikadilataatio mitataan suljetuilla poluilla, se ei ole neuvoteltavissa ja se voidaan mitata yksiselitteisesti kuten valon kaksisuuntainen nopeus. Aikalaajenemista suljetuilla poluilla on mitattu Hafele-Keating- kokeessa ja liikkuvien hiukkasten aikalaajennuskokeissa, kuten Bailey et al ( 1977) [19] . Niin kutsuttu kaksoisparadoksi esiintyy siis kaikissa muunnoksissa, jotka säilyttävät valon kaksisuuntaisen nopeuden pysyvyyden.

Inertiaaliset viitekehykset ja dynamiikka

Yksisuuntaista valonnopeuskonventtia vastaan on vastustettu, että tämä käsite liittyy läheisesti dynamiikkaan , Newtonin lakeihin ja inertiaaliseen viitekehykseen [4] . Salmon kuvasi joitain tämän vastalauseen muunnelmia liikemäärän säilymisen avulla , mikä tarkoittaa, että kahden identtisen kappaleen samassa paikassa, jotka kiihtyvät tasaisesti vastakkaisiin suuntiin, täytyy liikkua samalla yksisuuntaisella nopeudella [20] . Samoin Oganyan väitti, että inertiavertailukehykset määritellään siten, että Newtonin liikelait säilyvät ensimmäisessä approksimaatiossa. Siksi, koska liikelait ennustavat kappaleiden isotrooppisia yksisuuntaisia nopeuksia, jotka liikkuvat samalla kiihtyvyydellä ja koska kokeet osoittavat Einsteinin synkronoinnin ja hitaan kellon etenemisen välillä, näyttää tarpeelliselta mitata suoraan, että valon nopeus on isotrooppinen inertiaaliset viitekehykset. Muussa tapauksessa käsite inertiavertailukehykset ja liikelakit on korvattava paljon monimutkaisemmilla versioilla, mukaan lukien anisotrooppiset koordinaatit [21] [22] .

Toiset ovat kuitenkin osoittaneet, että tämä ei ole pohjimmiltaan ristiriidassa yksisuuntaista valonnopeutta koskevan sopimuksen kanssa [4] . Lohi (Salmon) väitti, että liikemäärän säilyminen sen vakiomuodossa merkitsee alusta alkaen isotrooppista yksisuuntaista liikkuvien kappaleiden nopeutta. Siten se sisältää olennaisesti saman sopimuksen kuin isotrooppiselle yksisuuntaiselle valonnopeudelle, joten sen käyttäminen argumenttina valonnopeussopimusta vastaan olisi "silmukkaa" [20] . Myös vastauksena Ohanianille MacDonald ja Martinez väittivät, että vaikka fysiikan lait muuttuvat monimutkaisemmiksi epätyypillisen ajoituksen myötä, ne ovat silti toimiva tapa kuvata ilmiöitä. He väittivät myös, että inertiaviittauksia ei ole tarpeen määritellä Newtonin liikelakien perusteella, koska tämä voidaan tehdä muilla menetelmillä [23] [24] . Lisäksi Iyer ja Prabhu erottivat "isotrooppiset inertiakehykset" standardisynkronointiin ja "anisotrooppiset inertiakehykset" epästandardin synkronoinnin kanssa [25] .

Kokeet, jotka näyttävät mittaavan valon yksisuuntaista nopeutta

Kokeet, joissa väitettiin käyttävänsä yksisuuntaista valosignaalia

Gravisin, Rodriguezin ja Ruiz-Camachon kokeilu

American Journal of Physics -lehden lokakuun 2009 numerossa Greaves, Rodriguez ja Ruiz-Camacho raportoivat uudesta menetelmästä yksisuuntaisen valonnopeuden mittaamiseen [26] . American Journal of Physics -lehden kesäkuussa 2013 ilmestyneessä numerossa Hankins, Rackson ja Kim toistivat Greavesin kokeen johtaen yksisuuntaisen valon nopeuden suuremmalla tarkkuudella [27] . Kokeilu osoittaa suuremmalla tarkkuudella, että signaalin viive paluureitillä mittauslaitteeseen on vakio eikä riipu valopolun päätepisteestä, mikä mahdollistaa valon yksisuuntaisen nopeuden mittaamisen.

J. Finkelstein osoitti, että Gravis-koe todella mittaa kaksisuuntaista valonnopeutta [28] .

Indian Journal of Physics -lehden marraskuun numerossa Ahmed ym. julkaisivat kattavan katsauksen yksi- ja kaksipuolisista kokeista valonnopeuden isotropian testaamiseksi [29] .

Kokeet, joissa valo seuraa yksisuuntaista polkua

Monet kokeet, jotka on suunniteltu mittaamaan yksisuuntaista valonnopeutta tai sen muunnelmia, on tehty (ja joskus tehdään edelleen) niin, että valo seuraa yksisuuntaista polkua [30] . Näiden kokeiden on väitetty mittaavan yksisuuntaista valonnopeutta riippumatta kellon synkronointikäytännöstä, mutta on osoitettu, että ne kaikki mittaavat valon kaksisuuntaista nopeutta, koska ne ovat yhdenmukaisia yleisten Lorentzin muunnosten kanssa, mukaan lukien synkronointi. eri yksisuuntaisilla nopeuksilla isotrooppisen kaksisuuntaisen valonnopeuden perusteella.

Nämä kokeet vahvistavat myös hitaalla siirrolla tapahtuvan kellon synkronoinnin ja Einstein-synkronoinnin välisen sopimuksen [31] . Vaikka jotkut kirjoittajat ovat väittäneet, että tämä riittää osoittamaan yksisuuntaisen valonnopeuden isotropiaa, [10] on osoitettu, että tällaiset kokeet eivät voi millään mielekkäällä tavalla mitata valon yksisuuntaisen nopeuden (ani)isotropiaa. valoa, kunnes inertiaalisia kehyksiä ja koordinaatteja ei ole määritelty alusta alkaen, joten tila- ja aikakoordinaatit sekä kellojen hidas liike voidaan kuvata isotrooppisesti. Näistä erilaisista tulkinnoista huolimatta havaittu sopimus näiden synkronointityyppien välillä on tärkeä erityissuhteellisuusteorian ennuste, koska se edellyttää, että kuljetettava kello käy läpi aikalaajennusta (joka itsekin riippuu synkronoinnista), kun sitä tarkastellaan eri viitekehyksestä.

JPL-kokeilu

Tässä NASAn Jet Propulsion Laboratoryn vuonna 1990 suorittamassa kokeessa mitattiin valosignaalien lentoaika kahden vetymaser - kellon välisen kuituoptisen linkin kautta [32] . Vuonna 1992 kokeen tulokset analysoi Will Clifford, joka päätteli, että kokeessa todellakin mitattiin yksisuuntaista valonnopeutta [11] .

Vuonna 1997 Zhang analysoi kokeen uudelleen ja osoitti, että kaksisuuntaista nopeutta todella mitattiin [33] .

Römerin mittaus

Ensimmäisen kokeellisen valonnopeuden määrityksen teki O. Roemer . Vaikuttaa siltä, että tämä koe mittaa aikaa, joka kuluu valon kulkemiseen osan maapallon kiertoradalla, ja mittaa siten sen yksisuuntaista nopeutta. Tämän kokeen analysoi kuitenkin huolellisesti Zhang, joka osoitti, että kokeilu ei mittaa nopeutta riippumatta kellon synkronointijärjestelmästä, vaan itse asiassa käyttää Jupiter-järjestelmää hitaasti liikkuvana kellona mittaamaan valon kulkuaikaa [34] .

Australialainen fyysikko Karlov osoitti myös, että Roemer todella mittasi valon nopeuden tehden implisiittisesti oletuksen, että valon nopeudet ovat samat yhteen suuntaan ja toiseen [35] [36] .

Muut kokeet, joissa Einsteinin synkronointia verrataan hitaan kellonsiirtosynkronointiin

Koe	vuosi		$\Delta c/c$
Pyörimiskoe Moessbauer (Moessbauer)	1960	Gammasäteet lähetettiin pyörivän kiekon takaosasta sen keskelle. Odotettiin, että valonnopeuden anisotropia johtaisi Doppler-siirtymiin.	$<3\times 10^{-8}$
Vessot ja muut . [37]	1980	Uplink- ja downlink-signaalin lentoajan vertailu Gravity Probe A.	$\sim 10^{-8}\!$
Riis ja muut . [38]	1988	Kahden fotonin absorption taajuuden vertailu nopeiden hiukkasten säteessä, jonka suunta on muuttunut suhteessa kiinteisiin tähtiin, absorboijan taajuuteen levossa.	$<3\times 10^{-9}$
Nelson (Nelson) ja muut . [39]	1992	Vetymaserin ja lasersäteilypulssien pulssitaajuuksien vertailu. Reitin pituus oli 26 km	$<1,5\times 10^{-6}$
Susi ja Petit (Wolf, Petit) [40]	1997	Kellojen vertailu maassa olevien vetymaser-kellojen ja cesium- ja rubidiumkellojen välillä 25 GPS - satelliitissa.	$<5\times 10^{-9}$

Kokeet, jotka voidaan tehdä yksisuuntaisella valonnopeudella

Vaikka kokeita ei voida tehdä, kun yksisuuntaista valonnopeutta mitataan kellon synkronointikaaviosta riippumatta, voidaan tehdä kokeita, jotka mittaavat esimerkiksi lähteen liikkeestä johtuvaa yksisuuntaisen valonnopeuden muutosta. Tällainen koe on de Sitter -koe kaksoistähtien havainnolla (1913), jonka K. Brescher toisti lopulta röntgenspektrissä vuonna 1977; [41] tai Alvager et al.:n (1963) maakoe; [42] , jotka osoittavat, että inertiaalisessa vertailukehyksessä mitattuna yksisuuntainen valon nopeus ei riipu lähteen liikkeestä kokeellisessa tarkkuudessa. Tällaisissa kokeissa kellot voidaan synkronoida millä tahansa sopivalla tavalla, koska vain valonnopeuden muutos mitataan.

Havainnot säteilyn saapumisesta kaukaisista tähtitieteellisistä tapahtumista ovat osoittaneet, että valon yksisuuntainen nopeus ei muutu taajuuden mukaan, eli valossa ei ole tyhjiödispersiota [ 43] . Vastaavasti erot vasemman ja oikean fotonin yksisuuntaisessa etenemisessä, jotka johtavat tyhjiön kahtaistaittamiseen , suljettiin pois tarkkailemalla valon samanaikaista saapumista kaukaisista tähdistä [44] . Molempien vaikutusten nykyiset rajoitukset, jotka usein analysoidaan käyttämällä standardimallin laajennusta, katso "tyhjiödispersio" ja "tyhjiön kahtaistaitteisuus" nykyaikaisessa Lorentzin invarianssirikkomusten haussa.

Kaksisuuntaiset ja yksisuuntaiset nopeuskokeet vakiomallin laajennuksella

Vaikka yllä kuvatut kokeet analysoitiin yleisillä Lorentz-muunnoksilla , kuten Robertson-Mansouri-Sekl teoriassa, monet nykyaikaiset testit perustuvat vakiomallin laajennukseen. Tämä testiteoria sisältää kaikki mahdolliset Lorentzin invarianssin loukkaukset paitsi erityisessä suhteellisuusteoriassa myös standardimallissa ja yleisessä suhteellisuusteoriassa . Mitä tulee valonnopeuden isotropiaan, sekä kaksi- että yksipuolisia rajoituksia kuvataan kertoimilla (3x3 matriisit): [45]

${\tilde {\kappa }}_{e-}$ , edustaa anisotrooppisia muutoksia valon kaksisuuntaisessa nopeudessa, [46] [47]
${\tilde {\kappa }}_{o+}$ , edustaa anisotrooppisia eroja törmäyssäteiden yksisuuntaisissa nopeuksissa akselia pitkin, [46] [47]
${\displaystyle {\tilde {\kappa ))_{tr))$ , edustaa isotrooppisia (suunnista riippumattomia) siirtymiä valon yksisuuntaisessa vaihenopeudessa [48] .

Vuodesta 2002 lähtien on tehty (ja tehdään edelleen) kokeita, joissa kaikkia näitä kertoimia on testattu esimerkiksi symmetrisellä ja epäsymmetrisellä optisella resonaattorilla . Sisällä , , ja Lorentzin invarianssin rikkomuksia ei havaittu vuodesta 2013 lähtien. Lisätietoja ja lähteitä on kohdassa Nykyaikaiset haut Lorentzin invarianssin rikkomisesta . ${\displaystyle {\tilde {\kappa ))_{e-}=\scriptstyle (-0,31\pm 0,73)\times 10^{-17))$ ${\displaystyle {\tilde {\kappa ))_{o+}=\scriptstyle 0.7\pm 1\times 10^{-14))$ ${\displaystyle {\tilde {\kappa ))_{tr}=\scriptstyle -0,4\pm 0,9\times 10^{-10))$

Näiden suureiden osittain mielivaltaisen luonteen ovat kuitenkin osoittaneet Alan Kostelecki ym. huomauttaen, että tällaiset valonnopeuden muutokset voidaan eliminoida sopivilla koordinaattimuunnoksilla ja kentän uudelleenmäärittelyillä. Vaikka tämä ei poista Lorentzin rikkomusta sinänsä , koska tällainen uudelleenmäärittely vain siirtää Lorentzin rikkomuksen fotonisektorilta pk-ainesektorille, joten nämä kokeet pysyvät pätevinä Lorentzin rikkomisen testeinä [45] . On olemassa yksipuolisia pk-kertoimia, joita ei voida määritellä uudelleen muille sektoreille, koska eri valonsäteet samalta etäisyydeltä ovat suoraan vierekkäin, katso edellinen kappale.

Teoriat, joissa yksisuuntainen valon nopeus ei ole yhtä suuri kuin kaksisuuntainen nopeus

Erikoissuhteellisuusteoriaa vastaavat teoriat

Lorentzin eetteriteoria

Hendrik Lorenz ja Henri Poincaré ehdottivat teoriaa tämän selittämiseksi vuosina 1904 ja 1905 .[ mitä? ] tuloksena eetterin läpi tapahtuvan liikkeen vaikutuksesta fyysisten kohteiden pituuteen ja kellon nopeuteen. Eetterin läpi tapahtuvasta liikkeestä johtuen esineiden olisi pitänyt laskea liikkeen suunnassa ja kello olisi hidastunut. Näin ollen tässä teoriassa hitaasti liikkuvat kellot eivät pysy synkronoituina, vaikka tätä ei voida havaita. Tätä teoriaa kuvaavat yhtälöt tunnetaan Lorentzin muunnoksina . Vuonna 1905 näistä muunnoksista tuli Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian perusyhtälöt, jotka tarjosivat samat tulokset ilman viittausta eetteriin.

Tässä teoriassa havaitsijan liikkeestä eetterin läpi valon yksisuuntainen nopeus on sama kuin kaksisuuntainen nopeus vain eetterin vertailukehyksessä, eikä se ole yhtä suuri muissa viitekehyksessä. Eroa yksi- ja kaksisuuntaisen valon nopeuden välillä ei kuitenkaan voida koskaan havaita johtuen eetterin vaikutuksesta tunteihin ja pituuksiin. Siksi tämä malli käyttää myös Poincarén-Einsteinin sopimusta, joka tekee valon yksisuuntaisesta nopeudesta isotrooppisen kaikissa vertailukehyksessä.

Vaikka tätä teoriaa ei voi kokeellisesti erottaa erityisestä suhteellisuusteoriasta, Lorentzin teoriaa ei enää käytetä filosofisista syistä ja yleisen suhteellisuusteorian kehityksen vuoksi.

Lorentzin muunnosten yleistykset anisotrooppisilla yksisuuntaisilla nopeuksilla

Reichenbachin ja Grünbaumin ehdottamaa synkronointimallia, jota he kutsuivat ε-synkronointiksi, kehittivät edelleen sellaiset kirjailijat kuin Edwards (1963), [49] Winnie (1970), [17] Anderson ja Stedman (1977), jotka muotoilivat uudelleen Lorentzin. muuttua ilman muutoksia hänen fyysisissä ennusteissaan [1] [2] . Esimerkiksi Edwards korvasi Einsteinin oletuksen, jonka mukaan valon yksisuuntainen nopeus on vakio inertiakehyksessä mitattuna, postulaatilla:

Valon kaksisuuntainen nopeus tyhjiössä, mitattuna kahdessa (inertiaalisessa) vertailukehyksessä, jotka liikkuvat tasaisella suhteellisella nopeudella, on sama riippumatta yksisuuntaisesta nopeudesta tehdyistä oletuksista [49] .

Siten keskimääräinen edestakainen nopeus pysyy kokeellisesti todennettavana kaksisuuntaisena nopeudena, kun taas yksisuuntainen valon nopeus vastakkaisiin suuntiin voi olla:

c_{\pm }={\frac {c}{1\pm \kappa )).

jossa κ voi vaihdella välillä 0 - 1. Rajassa, jossa κ lähestyy arvoa 1, valo voi kulkea yhteen suuntaan välittömästi ja toiseen suuntaan täydellä matka-ajalla. Edwardsin ja Vinnien jälkeen Anderson ym. muotoilivat yleistetyt Lorentz-muunnokset mielivaltaiselle muodolle: [2]

{\begin{aligned}d{\tilde {t}}'=&{\tilde {\gamma }}\left[1+\kappa \cdot {\tilde {\mathbf {v} }}/c -\kappa '\cdot {\tilde {\mathbf {v} }}'/c\right]d{\tilde {t}}-\left(\kappa '+{\tilde {\gamma }}{\tilde {\mathbf {v} }}'\right)\cdot d{\tilde {\mathbf {x} }}/c\\&-\left[{\tilde {\gamma }}\left(1+\kappa \cdot {\tilde {\mathbf {v} }}/c\right)-1\right]{\frac {\kappa '\cdot {\tilde {\mathbf {v} }}}{{\tilde {\ mathbf {v} }}^{2}c}}{\tilde {\mathbf {v} }}\cdot d{\tilde {\mathbf {x} }}+{\tilde {\gamma }}\kappa \ cdot {\tilde {\mathbf {v} }}\left(\kappa \cdot d{\tilde {\mathbf {x} }}\right)/c,\\d{\tilde {\mathbf {x} } }'=&-{\tilde {\gamma }}{\tilde {\mathbf {v} }}d{\tilde {t}}+d{\tilde {\mathbf {x} }}+\left[{ \tilde {\gamma }}\left(1+\kappa \cdot {\tilde {\mathbf {v} }}/c\right)-1\right]{\frac ({\tilde {\mathbf {v} }}\cdot d\mathbf {x} }{{\tilde {\mathbf {v} }}^{2}}}{\tilde {\mathbf {v} }}-{\tilde {\gamma }}{ \tilde {\mathbf {v} }}\left(\kappa \cdot d{\tilde {\mathbf {x} }}\right)/c,\\{\tild  e {\gamma }}=&\gamma \left(1-\kappa \cdot \mathbf {v} /c\right),\\{\tilde {\mathbf {v} }}=&{\frac {\ mathbf {v} }{1-\kappa \cdot \mathbf {v} /c}},\end{aligned}}

(jossa κ ja κ' ovat synkronointivektoreita kehyksissä S ja S', vastaavasti). Tämä muunnos osoittaa, että yksisuuntainen valon nopeus on ehdollinen kaikissa vertailukehyksessä, jolloin kaksisuuntainen nopeus jää muuttumattomaksi. Kun κ = 0, saadaan Einstein-synkronointi, joka johtaa standardiin Lorentzin muunnokseen. Kuten Edwards, Winnie ja Mansouri-Sekl ovat osoittaneet, synkronisten parametrien sopivalla uudelleenjärjestelyllä voidaan saavuttaa jopa jonkinlainen "absoluuttinen samanaikaisuus" Lorentzin eetteriteorian perusoletuksen mallintamiseksi. Toisin sanoen yhdessä vertailukehyksessä yksisuuntainen valon nopeus valitaan isotrooppiseksi, ja kaikissa muissa viitekehyksessä se saa tämän "suositun" vertailukehyksen arvon "ulkoisen synkronoinnin" kautta [9] .

Kaikki tällaisesta muunnoksesta johdetut ennusteet eivät ole kokeellisesti erotettavissa kaikista standardeista Lorentzin muunnoksista; ainoa ero on, että valitun kellon aika eroaa Einsteinin kellosta tietyn suunnan etäisyyden mukaan [50] .

Teoriat, jotka eivät vastaa erityistä suhteellisuusteoriaa

Muistiinpanot

↑ 1 2 3 4 Yuan-Zhong Zhang. Erikoissuhteellisuusteoria ja sen kokeelliset perusteet . - World Scientific , 1997. - ISBN 978-981-02-2749-4 . Arkistoitu kopio (linkki ei saatavilla) . Haettu 27. heinäkuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 19. toukokuuta 2012. (määrätön)
↑ 1 2 3 4 5 6 Anderson, R.; Vetharaniam, I. & Stedman, G.E. (1998), Synkronoinnin konventionaalisuus, mittariippuvuus ja suhteellisuusteoriat , Physics Reports , osa 295(3–4): 93–180 3
↑ Michael Tooley. Aika, jännitys ja syy-yhteys . - Oxford University Press , 2000. - s. 350. - ISBN 978-0-19-825074-6 .
↑ 1 2 3 4 5 Janis, Allen (2010). "Conventionality of Simultaneity" Arkistoitu 11. syyskuuta 2018 Wayback Machinessa , "Transport of Clocks" Arkistoitu 11. syyskuuta 2018 Wayback Machinessa . Zaltassa, Edward N. Stanford Encyclopedia of Philosophy.
↑ Jong-Ping Hsu; Yuan Zhong Zhang. Lorentz ja Poincaré invarianssi: 100 vuotta suhteellisuusteoriaa . - World Scientific , 2001. - ISBN 978-981-02-4721-8 .
↑ 1 2 Will, CM Special Relativity: A Centenary Perspective //Poincare-seminaari 2005 / T. Damour; O. Darrigol; B. Duplantier; V. Rivasseau. Basel: Birkhauser, 2005. - S. 33-58. - doi : 10.1007/3-7643-7436-5_2 .
↑ 17. yleiskonferenssi painoista ja mitoista (1983), päätöslauselma 1,
↑ Zhang (1997), s. 24
↑ 1 2 Mansouri R.; Sexl FI Erikoissuhteellisuuden testiteoria . I: Samanaikaisuus ja kellon synkronointi (englanniksi) // Gen. Suh. Gravit. : päiväkirja. - 1977. - Voi. 8 , ei. 7 . - s. 497-513 . - doi : 10.1007/BF00762634 . - .
↑ 1 2 Mansouri R.; Sexl RU Erikoissuhteellisuusteoria: II. Ensimmäisen asteen testit // Gen. Suh. Gravit. : päiväkirja. - 1977. - Voi. 8 , ei. 7 . - s. 515-524 . - doi : 10.1007/BF00762635 . - .
↑ 1 2 3 Will, Clifford M. Kellon synkronointi ja yksisuuntaisen valonnopeuden isotropia // Physical Review D : Journal . - 1992. - Voi. 45 , no. 2 . - s. 403-411 . - doi : 10.1103/PhysRevD.45.403 . - .
↑ Will, CM Yleisen suhteellisuusteorian ja kokeen vastakkainasettelu // Living Rev. suhteellinen. : päiväkirja. - 2006. - Voi. 9 . — s. 12 . - doi : 10.12942/lrr-2006-3 . - . - arXiv : gr-qc/0510072 .
↑ Zhang, Yuan Zhong. Erikoissuhteellisuuden testiteoriat (englanniksi) // General Relativity and Gravitation : Journal. - 1995. - Voi. 27 , ei. 5 . - s. 475-493 . - doi : 10.1007/BF02105074 . - .
↑ Hafele, JC; Keating, REAround-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativist Time Gains (englanniksi) // Science : Journal. - 1972. - 14. heinäkuuta ( nide 177 , nro 4044 ). - s. 166-168 . - doi : 10.1126/tiede.177.4044.166 . - . — PMID 17779917 .
↑ CO Alley, NASA Goddard Space Flight Center, Proc. 13. Ann. Tarkka aika ja aikaväli (PTTI) Appl. ja suunnittelukokous, s. 687-724, 1981, saatavilla verkossa . Arkistoitu alkuperäisestä 27. heinäkuuta 2011. .
↑ Giulini, Domenico. Synkronointi hitaalla kellonsiirrolla // Special Relativity: A First Encounter. 100 vuotta Einsteinista . - Oxford University Press , 2005. - ISBN 0191620866 . Erityinen suhteellisuusteoria: ensimmäinen kohtaaminen Google - kirjoissa
↑ 1 2 Winnie, JAA Erityinen suhteellisuusteoria ilman yksisuuntaisia nopeusoletuksia // Tiedefilosofia: aikakauslehti. - 1970. - Voi. 37 , no. 2 . - P. 81-99, 223-38 . - doi : 10.1086/288296 . — .
↑ Debs, Talal A.; Redhead, Michael LG Kaksois "paradoksi" ja samanaikaisuuden tavanomaisuus // American Journal of Physics : Journal. - 1996. - Voi. 64 , nro. 4 . - s. 384-392 . - doi : 10.1119/1.18252 . — .
↑ Bailey et ai. Relativistisen aikalaajenemisen mittaukset positiivisille ja negatiivisille myoneille ympyräradalla (englanniksi) // Nature : Journal. - 1977. - Voi. 268 , no. 5618 . - s. 301-305 . - doi : 10.1038/268301a0 . — .
↑ 1 2 Wesley C. Salmon. Yksisuuntaisen valonnopeuden filosofinen merkitys // Noûs : päiväkirja. - 1977. - Voi. 11 , ei. 3 . - s. 253-292 . - doi : 10.2307/2214765 . — .
↑ Ohanian, Hans C. Dynamiikan rooli synkronointiongelmassa // American Journal of Physics : Journal. - 2004. - Voi. 72 , no. 2 . - s. 141-148 . - doi : 10.1119/1.1596191 . — .
↑ Ohanian, Hans C. Vastaus A. Macdonaldin ja AA Martínezin kommenttiin "Dynamiikan rooli synkronointiongelmassa" // American Journal of Physics : Journal. - 2005. - Voi. 73 , no. 5 . - s. 456-457 . - doi : 10.1119/1.1858449 . — .
↑ Martínez, Alberto A. Sopimukset ja inertiaviitekehykset // American Journal of Physics : Journal. - 2005. - Voi. 73 , no. 5 . - s. 452-454 . - doi : 10.1119/1.1858446 . - . Arkistoitu alkuperäisestä 2. syyskuuta 2012.
↑ MacDonald, Alan. Kommentti Hans C. Ohanianin "Dynamiikan roolista synkronointiongelmassa" // American Journal of Physics : Journal. - 2004. - Voi. 73 , no. 5 . - s. 454-455 . - doi : 10.1119/1.1858448 . - .
↑ Iyer, Chandru; Prabhu, GM Rakentava muotoilu yksisuuntaisesta valonnopeudesta (englanniksi) // American Journal of Physics : Journal. - 2010. - Vol. 78 , no. 2 . - s. 195-203 . - doi : 10.1119/1.3266969 . — . - arXiv : 1001.2375 .
↑ Greaves, ED; Rodríguez, An Michel & Ruiz-Camacho, J. (2009), Yksisuuntainen valonnopeuskoe , American Journal of Physics, osa 77 (10): 894–896 , DOI 10.1119/1.3160665
↑ Hankins A.; Rackson C. & Kim WJ (2013), Fotonivarauskoe , Am . J Phys. T. 81 (6): 436-441 , DOI 10.1119/1.4793593
↑ Finkelstein, J. (2009), Yksisuuntainen valonnopeus? , American Journal of Physics osa 78 (8): 877 , DOI 10.1119/1.3364868
↑ Md. F. Ahmed; Brendan M. Quine; Stoyan Sargoytchev & AD Stauffer (2012), Katsaus yksisuuntaisiin ja kaksisuuntaisiin kokeisiin valonnopeuden isotropian testaamiseksi , Indian Journal of Physics, osa 86(9): 835–848 , DOI 10.1007/ s12648- 012-0112-4
↑ Roberts, Schleif (2006): Relativity FAQ, One-Way Tests of Light-Speed Isotropy, Arkistoitu 15. lokakuuta 2009 Wayback Machinessa
↑ Anderson, R.; Vetharaniam, I.; Stedman, GE (1998), "Tahdistuskonventionaalisuus, mittariippuvuus ja suhteellisuusteoriat", Physics Reports, 295(3-4): 93-180
↑ Krisher et ai. Valon yksisuuntaisen nopeuden isotropian testaus vety-maser-taajuusstandardien avulla (englanniksi) // Physical Review D : Journal. - 1990. - Voi. 42 , nro. 2 . - s. 731-734 . - doi : 10.1103/PhysRevD.42.731 . - .
↑ Zhang (1997), s. 148-150
↑ Zhang (1997), s. 91-94
↑ Karlov L. Antaako Römerin menetelmä yksisuuntaisen valonnopeuden? (Englanti) // Australian Journal of Physics : päiväkirja. - 1970. - Voi. 23 . - s. 243-253 . - doi : 10.1071/PH700243 . - .
↑ Suhteellisuusteorian kinematiikan simulaatio arkistoitu 30. heinäkuuta 2018 Wayback Machinessa
↑ Vessot et ai. Relativistisen gravitaatiotesti avaruudessa kulkevalla vetymaserilla (englanniksi) // Physical Review Letters : Journal. - 1980. - Voi. 45 , no. 29 . - s. 2081-2084 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.45.2081 . — .
↑ Riis et al. Valon nopeuden isotropian testaus nopealla laserspektroskopialla (englanniksi) // Physical Review Letters : Journal. - 1988. - Voi. 60 , ei. 11 . - s. 81-84 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.60.81 . - .
↑ Nelson et ai. Aikasynkronointitekniikoiden kokeellinen vertailu valosignaalien ja kellonsiirron avulla pyörivällä maapallolla // Proceedings of the 24th PTTI meeting: Journal. - 1992. - Voi. 24 . - s. 87-104 . (linkki ei saatavilla)
↑ Susi, Pietari; Petit, Gerard. Erityisen suhteellisuusteorian satelliittitesti globaalilla paikannusjärjestelmällä // Physical Review A : Journal . - 1997. - Voi. 56 , nro. 6 . - P. 4405-4409 . - doi : 10.1103/PhysRevA.56.4405 . - . . - ".".
↑ Brecher, K. (1977), Onko valon nopeus riippumaton lähteen nopeudesta , Physical Review Letters, osa 39(17): 1051–1054 , DOI 10.1103/PhysRevLett.39.1051
↑ Alvager, T.; Nilsson, A. & Kjellman, J. (1963), Special Terrestrial Test of the Second Postulate of Special Relativity , Nature T. 197 (4873): 1191 , DOI 10.1038/1971191a0
↑ Amelino-Camelia, G. Astrophysics: Suhteellisuusteorian tukipurske // Nature : Journal. - 2009. - Vol. 462 , no. 7271 . - s. 291-292 . - doi : 10.1038/462291a . — . — PMID 19924200 .
↑ Laurent et ai. Lorentzin invarianssivirheen rajoitukset GRB041219A:n integraali-/IBIS-havaintojen avulla (englanniksi) // Physical Review D : Journal. - 2011. - Voi. 83 , no. 12 . — P. 121301 . - doi : 10.1103/PhysRevD.83.121301 . - . - arXiv : 1106.1068 .
↑ 1 2 Kostelecký, V. Alan; Mewes, Matthew (2002). "Signaalit Lorentzin rikkomuksesta sähködynamiikassa". Fyysinen arvostelu D. 66 (5): 056005. arXiv : hep-ph/0205211 . Bibcode : 2002PhRvD..66e6005K . DOI : 10.1103/PhysRevD.66.056005 . S2CID 21309077 .
↑ 1 2 Hohensee et ai. Parannetut valonnopeuden isotrooppisen siirtymän ja anisotropioiden rajoitukset käyttämällä pyöriviä kryogeenisiä safiirioskillaatioita // Physical Review D : Journal . - 2010. - Vol. 82 , no. 7 . — P. 076001 . - doi : 10.1103/PhysRevD.82.076001 . - . - arXiv : 1006.1376 .
↑ 1 2 Hohensee et ai. Lorentzia rikkovan sähkömagnetismin kovarianttikvantisointi (englanniksi) : lehti. - 2010. - . - arXiv : 1210.2683 . ; Itsenäinen versio työstä, joka sisältyy Ph.D. M. A. Hohenseen väitöskirja.
↑ Tobar et ai. Uudet menetelmät Lorentzin rikkomuksen testaamiseen elektrodynamiikassa (englanniksi) // Physical Review D : Journal. - 2005. - Voi. 71 , no. 2 . — P. 025004 . - doi : 10.1103/PhysRevD.71.025004 . - . - arXiv : hep-ph/0408006 .
↑ 1 2 Edwards, WF Special Relativity in Anisotropic Space // American Journal of Physics : Journal. - 1963. - Voi. 31 , ei. 7 . - s. 482-489 . - doi : 10.1119/1.1969607 . - .
↑ Zhang (1997), s. 75-101

Linkit

Tietoa voidaan siirtää kaksinkertaisella valonnopeudella Arkistoitu 14. maaliskuuta 2018 Wayback Machinessa
Kokeilu valonnopeuden suhteellisten poikkeamien määrittämiseksi, kun säde kulkee yhteen suuntaan Arkistoitu 28. heinäkuuta 2018 Wayback Machinessa
Populaatiotieteellinen video valon yksisuuntaisen nopeuden mittaamisen ongelmista.
Rizzi, Guido; Ruggiero, Matteo Luca; Serafini, Alessio (2005). "Synkronointimittarit ja erityissuhteellisuuden periaatteet". Fysiikan perusteet . 34 (12): 1835-1887. arXiv : gr-qc/0409105 . Bibcode : 2004FoPh...34.1835R . DOI : 10.1007/s10701-004-1624-3 .
Sonego, Sebastiano; Pin, Massimo (2009). "Anisotrooppisen relativistisen mekaniikan perusteet". Journal of Mathematical Physics . 50 (4): 042902-1-042902-28. arXiv : 0812.1294 . Bibcode : 2009JMP....50d2902S . DOI : 10.1063/1.3104065 .

Erikoissuhteellisuusteorian kokeellinen verifiointi
Nopeus/isotropia	Michelsonin kokemus Kennedy-Thorndiken kokemus Ives-Stilwellin kokeilu Kokeilu optisella resonaattorilla De Sitterin kokeilu kaksoistähdellä Hammarin kokemus Neutrinonopeuden mittaus
Lorentzin invarianssi	Nykyaikaiset etsivät Lorentzin invarianssin rikkomista Hughesin ja Dreverin kokeita Troughton-Noblen kokeilu Rayleighin ja Bracen kokeet Troughton-Rankin kokeilu fi: Lorentzin rikkomuksen antimatteritestit fi: Lorentzia rikkovat neutriinovärähtelyt fi: Lorentzia rikkova sähködynamiikka
Aikalaajennus Lorentzin supistuminen	Ives-Stilwellin kokeilu Kokeilut Mossbauer-roottorilla fi:Aikalaajennuksen kokeellinen testaus Hafele-Keatingin kokeilu Pituuden supistuksen vahvistukset
Energiaa	fi: Relativistisen energian ja liikemäärän testit Kaufman-Bucherer-Neumann kokeet
Fizeau/Sagnac	Fizeaun kokemus Sagnacin kokemus Michelson-Gal-Pearson kokeilu
Vaihtoehtoja	Eetteriteorian kumoukset Ballistisen teorian kumoaminen
Kenraali	Yksisuuntainen valonnopeus fi: Erikoissuhteellisuuden testiteoriat fi:Standard-Model Extension