Erikoissuhteellisuusteorian kokeellinen verifiointi

Erikoissuhteellisuusteoria  on fysikaalinen teoria , jolla on perustavanlaatuinen rooli kaikkien fysikaalisten ilmiöiden kuvauksessa, kun painovoima voidaan jättää huomiotta. Monilla kokeilla on ollut (ja on) tärkeä rooli sen kehittämisessä ja perustelussa. Teorian ennustevoima piilee sen ainutlaatuisessa kyvyssä saada oikein, suurella tarkkuudella, erittäin monipuolisten kokeiden tulokset. Monia näistä kokeista toistetaan edelleen jatkuvasti kasvavalla tarkkuudella, ja nykyaikaiset kokeet keskittyvät Planckin asteikoissa ja neutriinotutkimuksissa odotettuihin vaikutuksiin . Niiden tulokset ovat yhdenmukaisia ​​erityissuhteellisuusteorian ennusteiden kanssa. Useat kirjailijat tarjoavat kokoelmia erilaisista testeistä: Jacob Laub [1] , Zhang [2] , Mattingly [3] , Clifford Will [4] ja Roberts/Schleif [5] .

Erikoissuhteellisuusteoria rajoittuu tasaiseen aika-avaruuteen , eli kaikkiin ilmiöihin, joilla ei ole merkittävää painovoiman vaikutusta . Jälkimmäinen kuuluu yleisen suhteellisuusteorian piiriin , ja asiaankuuluvat yleisen suhteellisuusteorian testit on otettava huomioon .

Kokeilut, jotka tasoittavat tietä suhteellisuusteorialle

1800-luvulla vallitseva teoria valon etenemisestä oli valoeetteri , kiinteä väliaine, jossa valo kulkee samalla tavalla kuin ääni ilmassa. Analogisesti tästä seuraa, että valon nopeus on vakio kaikkiin suuntiin eetterissä, eikä se riipu lähteen nopeudesta. Näin ollen eetteriin nähden liikkuvan tarkkailijan on mitattava eräänlainen "eetterituulta", samalla tavalla kuin ilman suhteen liikkuva tarkkailija mittaa näennäistä tuulta .

Ensimmäisen asteen kokeet

François Aragon (1810) työstä lähtien suoritettiin sarja optisia kokeita, joiden piti antaa positiivisia tuloksia ensimmäiseen kertaluokkaan asti v/c :ssä ja jotka siten osoittavat eetterin suhteellista liikettä. Silti tulokset olivat negatiiviset. Selityksen antoi Augustin Fresnel (1818) ottamalla käyttöön apuhypoteesin, niin sanotun "vastuskertoimen", eli aine vetää eetteriä pienessä määrin. Tämä kerroin osoitti suoraan Fizeaun kokeessa (1851). Myöhemmin osoitettiin, että kaikkien ensimmäisen asteen optisten kokeiden tulee antaa negatiivinen tulos johtuen tästä kertoimesta. Lisäksi suoritettiin joitain ensimmäisen asteen sähköstaattisia kokeita, jotka antoivat jälleen negatiivisia tuloksia. Yleisesti ottaen Hendrik Lorenz (1892, 1895) esitteli useita uusia apumuuttujia liikkuville tarkkailijoille osoittaen, miksi kaikki ensimmäisen asteen optiset ja sähköstaattiset kokeet tuottivat nollatuloksia. Esimerkiksi Lorentz ehdotti sijaintimuuttujaa, jolla sähköstaattiset kentät kumoutuvat liikelinjalla, ja toista muuttujaa ("paikallinen aika"), jonka mukaan liikkuvien tarkkailijoiden aikakoordinaatit riippuvat heidän nykyisestä sijainnistaan ​​[1] .

Toisen asteen kokeet

Stacionaarisen eetterin teoria antaisi kuitenkin positiivisia tuloksia, jos kokeet olisivat riittävän tarkkoja toisen kertaluvun suureiden mittaamiseen v/c :ssä . Albert A. Michelson teki ensimmäisen tällaisen kokeen vuonna 1881, jota seurasi monimutkaisempia Michelson-Morley-mittauksia vuonna 1887 . Kaksi valonsädettä, jotka kulkivat jonkin aikaa eri suuntiin, pelkistettiin interferenssikuvioksi, joten erilaisen suunnan eteeriseen tuuleen nähden olisi pitänyt johtaa häiriöreunojen siirtymiseen . Mutta tulos oli jälleen negatiivinen. Tie ulos tästä ongelmasta oli George Francis Fitzgeraldin (1889) ja Lorentzin (1892) ehdotus, että aine supistuu liikelinjassa eetterin suhteen ( pituuden supistuminen ). Toisin sanoen vanha hypoteesi sähköstaattisten kenttien puristumisesta on ulotettu koskemaan molekyylien välisiä voimia. Koska tälle ei kuitenkaan ollut teoreettista perustaa, kompressiohypoteesia pidettiin ad hoc .

Michelson-Morley-optisen kokeen lisäksi suoritettiin myös sen sähködynaaminen vastine , Trouton-Noble -koe . Siten hänen oli osoitettava, että vääntömomentin on vaikutettava liikkuvaan kondensaattoriin . Lisäksi Rayleighin ja Bracen kokeiden tarkoituksena oli mitata joitain pituuden supistumisen seurauksia laboratorion viitekehyksessä, kuten oletus, että tämä johtaisi kahtaistaittamiseen . Kaikki nämä kokeet johtivat negatiivisiin tuloksiin. Vuonna 1908 suoritettu Troughton-Rankin-koe antoi myös negatiivisen tuloksen mitattaessa pituussupistumisen vaikutusta sähkömagneettiseen kelaan [1] .

Selittääkseen kaikki ennen vuotta 1904 tehdyt kokeet Lorentzin oli pakko laajentaa teoriaansa uudelleen ottamalla käyttöön täydellinen Lorentzin muunnos . Henri Poincaré totesi vuonna 1905, että absoluuttisen liikkeen osoittamisen mahdottomuus ( suhteellisuusperiaate ) näyttää olevan luonnonlaki.

Täysi eteerinen villitys vastaväitteitä

Ajatus siitä, että eetteri voitaisiin vetää kokonaan maan sisälle tai lähelle, mikä voisi selittää negatiivisen eetterin ajautumisen kokeet, on kumottu monissa kokeissa.

Lodge ilmaisi paradoksaalisen tilanteen, jossa fyysikot ovat joutuneet seuraavalla tavalla: ”… lähes mahdottomalla nopeudella… aineella [on] mitään havaittavaa viskoosia koheesiota eetterin kanssa. Atomien on kyettävä saamaan se värähtelemään, jos ne värähtelevät tai pyörivät riittävän nopeasti; muuten ne eivät emittoisi valoa tai säteilyä; mutta ne eivät missään tapauksessa näytä vetävän häntä mukanaan tai kohtaavan vastustusta missään yhtenäisessä liikkeessä hänen kauttaan” [6] .

Erikoissuhteellisuusteoria

Yleiskatsaus

Lopulta Albert Einstein (1905) tuli siihen johtopäätökseen, että vakiintuneet teoriat ja tuolloin tunnetut tosiasiat muodostavat loogisen koherentin järjestelmän vasta, kun ajatuksia tilasta ja ajasta tarkistetaan perusteellisesti. Esimerkiksi:

Tuloksena on erityinen suhteellisuusteoria, joka perustuu valonnopeuden pysyvyyteen kaikissa inertiavertailukehyksissä ja suhteellisuusperiaatteeseen . Tässä Lorentzin muunnokset eivät ole enää yksinkertaisia ​​tukihypoteesien joukkoa, vaan ne heijastavat Lorentzin perustavanlaatuista symmetriaa ja muodostavat perustan onnistuneille teorioille, kuten kvanttielektrodynamiikka . Erikoissuhteellisuusteoria tarjoaa suuren määrän testattavia ennusteita, kuten [7] :

Suhteellisuusperiaate Valonnopeuden pysyvyys ajan laajeneminen
Yksikään tasaisesti liikkuva havainnoija inertiaalisessa vertailukehyksessä ei voi määrittää "absoluuttista" liiketilaansa mukana tulevan kokeellisen järjestelyn avulla. Kaikissa inertiavertailukehyksissä mitattu valon nopeus on sama kaikkiin suuntiin ( isotropia ), ei riipu lähteen nopeudesta, eikä sitä voi saavuttaa massiivisilla kappaleilla. Kahden synkronoidun kellon A ja B välillä liikkuvan kellon C (= mikä tahansa jaksollinen prosessi), jotka ovat levossa inertiaalisessa vertailukehyksessä, nopeus jää näiden kahden kellon jälkeen.
Voidaan mitata myös muita relativistisia vaikutuksia, kuten pituuden supistumista , Doppler-ilmiötä , poikkeavuutta ja kokeellisia ennusteita relativistisista teorioista, kuten standardimallista.

Peruskokeita

Erikoissuhteellisuusteorian vaikutukset voidaan johtaa fenomenologisesti seuraavista kolmesta perustavanlaatuisesta kokeesta [8] :

Näistä kolmesta kokeesta ja käyttämällä Poincaré-Einstein- synkronointia , Lorentz-muunnokset  seuraavat Lorentz-tekijää [8] :

Lorentzin muunnoksen johtamisen lisäksi näiden kokemusten yhdistäminen on tärkeää myös siksi, että niitä voidaan erikseen tarkasteltuna tulkita eri tavoin. Esimerkiksi isotropiakokeet, kuten Michelson-Morley-kokeet, voidaan nähdä yksinkertaisena seurauksena suhteellisuusperiaatteesta, jonka mukaan jokainen inertialla liikkuva tarkkailija voi pitää itsensä levossa. Siten itse Michelson-Morley-koe on yhteensopiva Galilean invarianttien teorioiden, kuten säteilyteorian tai täydellisen eetterin vetämishypoteesin kanssa , jotka sisältävät myös eräänlaisen suhteellisuusperiaatteen. Kuitenkin, kun tarkastellaan muita kokeita, jotka sulkevat pois Galilean invarianttiteoriat ( esimerkiksi Yves-Stilwellin koe, erilaiset emissioteorioiden kumoukset ja eetterin kokonaisvastuksen kumoukset ), Lorentzin invarianttiteoriat ja siksi erityinen suhteellisuusteoria jäävät ainoaksi. teorioita, jotka osoittautuvat toteuttamiskelpoisiksi.

Valonnopeuden vakio

Interferometrit, resonaattorit

Michelson-Morley- ja Kennedy-Thorndike- kokeiden nykyaikaiset versiot suoritettiin valonnopeuden isotropian testaamiseksi. Toisin kuin Michelson-Morley-kokeissa, Kennedy-Thorndiken kokeissa käytetään interferometriä eripituisilla käsivarsilla, ja mittaukset kestävät useita kuukausia. Siten on mahdollista tarkkailla eri nopeuksien vaikutusta Maan kierron aikana Auringon ympäri. Käytetään laseria , maseria ja optisia onteloita , jotka vähentävät valonnopeuden anisotropian mahdollisuuden tasolle 10–17 . Kennedy-Thorndiken kokeen muunnelmana suoritettiin maakokeiden lisäksi myös Kuun laseretäisyysmittauksia [4] .

Toinen isotropiakokeilutyyppi on 1960-luvun Mössbauer-roottorikokeet , joilla voidaan havaita Doppler-ilmiön anisotropia pyörivällä kiekolla Mössbauer-ilmiön avulla (näitä kokeita voidaan käyttää myös aikalaajentumisen mittaamiseen, katso alla).

Ei riippuvuutta lähteen nopeudesta tai energiasta

Ballistiset teoriat , joiden mukaan valon nopeus riippuu lähteen nopeudesta, voivat selittää eetterituulikokeiden negatiivisen tuloksen. Vasta 1960-luvun puolivälissä valonnopeuden pysyvyys todistettiin vihdoin kokeellisesti, sillä vuonna 1965 J. G. Fox osoitti, että ekstinktiolauseen vaikutukset tekevät kaikkien aikaisempien kokeiden tuloksista epäselviä ja siten yhteensopivia kummankin erityissuhteellisuusteorian kanssa. ja ballistinen suhteellisuusteoria [9] [10] . Myöhemmät kokeet sulkivat ehdottomasti pois ballistisen mallin: varhaisimmat olivat Philippasin ja Foxin (1964) [11] , joissa käytettiin liikkuvia gammasädelähteitä, ja Alwegerin ym. (1964) [12] , jotka osoittivat, että fotonit eivät hanki . nopeasti hajoavien mesonien nopeus, jotka olivat niiden lähde. Lisäksi Brecher (1977) toisti kokeen de Sitter -kaksoistähtijärjestelmällä (1913) ottaen huomioon ekstinktiolauseen, joka myös sulkee pois riippuvuuden lähteestä [13] .

Gammapurkausten havainnot osoittivat myös, että valon nopeus ei riipu valonsäteiden taajuudesta ja energiasta [14] .

Yksisuuntainen valonnopeus

Suoritettiin sarja yksipuolisia mittauksia, jotka kaikki vahvistivat valonnopeuden isotropian [5] . Kuitenkin vain kaksisuuntainen valonnopeus (A:sta B:hen ja takaisin A:han) voidaan mitata yksiselitteisesti, koska yksisuuntainen nopeus riippuu samanaikaisuuden määritelmästä ja siten synkronointimenetelmästä. Einsteinin synkronointisopimus tekee yksisuuntaisen nopeuden yhtä suureksi kuin kaksisuuntainen nopeus. On kuitenkin monia malleja, joilla on isotrooppinen kaksisuuntainen valonnopeus, joissa yksisuuntainen nopeus on anisotrooppinen eri ajoituskaavioiden valinnan vuoksi. Ne vastaavat kokeellisesti erityistä suhteellisuusteoriaa, koska kaikki nämä mallit sisältävät vaikutuksia, kuten liikkuvien kellojen aikalaajennus, joka kompensoi mitattavissa olevaa anisotropiaa. Kuitenkin kaikista malleista, joilla on isotrooppinen kaksisuuntainen nopeus, vain erityinen suhteellisuusteoria hyväksyy suurimman osan fyysikoista, koska kaikki muut synkronoinnit ovat paljon monimutkaisempia ja nämä muut mallit (kuten Lorentzin eetteriteoria ) perustuvat äärimmäisillä ja epätodennäköisillä olettamuksilla. koskien joitain dynaamisia vaikutuksia, joiden tarkoituksena on piilottaa "ensisijainen viitekehys" havainnolta.

Massan, energian ja avaruuden isotropia

Kellovertailukokeet (jaksollisia prosesseja ja taajuuksia voidaan pitää kelloina), kuten Hughes–Drever-kokeet , tarjoavat tiukkoja kokeellisia järjestelmän kokeita Lorentzin invarianssille . Ne eivät rajoitu fotonisektoriin, kuten Michelson-Morley-kokeessa, vaan määrittävät suoraan massan, energian tai tilan anisotropian mittaamalla ytimien perustilan . Tällaiselle anisotropialle on saatu yläraja 10 -33 GeV . Näin ollen nämä kokeet ovat tarkimpia koskaan tehtyjä Lorentzin invarianssitestejä [3] .

Aikalaajennus ja pituuden supistuminen

Poikittais-Doppler-ilmiö ja sen seurauksena ajan laajentuminen havaittiin ensin suoraan Yves-Stilwellin (1938) kokeessa. Nykyaikaisissa Ives-Stillwell-kokeissa raskaiden ionien varastorenkaissa, joissa käytettiin kyllästysspektroskopiaa , suurin mitattu aikalaajennuspoikkeama relativistisesta ennusteesta rajoittui arvoon ≤ 10 -8 . Muita todisteita ajan laajenemisesta ovat Mössbauer-roottorikokeet , joissa gammasäteet suunnattiin pyörivän kiekon keskeltä levyn reunassa olevaan vastaanottimeen, jotta poikittais-Doppler-ilmiö voitaisiin arvioida Mössbauer-ilmiön avulla . Mittaamalla myonien elinikää ilmakehässä ja hiukkaskiihdyttimissä testattiin myös liikkuvien hiukkasten aikalaajenemista. Toisaalta Hafele-Keating-koe vahvisti kaksoisparadoksin ratkaisun , eli sen, että kello, joka liikkuu paikasta A paikkaan B takaisin A:han, on jäljessä alkuperäisestä kellosta. Yleisen suhteellisuusteorian vaikutuksilla on kuitenkin myös merkittävä rooli tässä kokeessa.

Käytännössä suoraa vahvistusta pituuden supistumiselle on vaikea saada , koska havaittujen hiukkasten koot ovat häviävän pieniä. Epäsuoraa näyttöä on kuitenkin olemassa; Esimerkiksi törmäävien raskaiden ionien käyttäytyminen voidaan selittää vain, jos niiden Lorentzin supistumisen aiheuttama lisääntynyt tiheys otetaan huomioon. Kompressio johtaa myös Coulombin kentänvoimakkuuden kasvuun kohtisuorassa liikesuuntaan nähden, jonka vaikutukset on jo havaittu. Siksi hiukkaskiihdyttimillä kokeita suoritettaessa on otettava huomioon sekä ajan laajeneminen että pituuden supistuminen.

Relativistinen momentti ja energia

Vuodesta 1901 lähtien suoritettiin useita mittauksia, joiden tarkoituksena oli osoittaa elektronien massan riippuvuus nopeudesta. Tulokset osoittivat tällaisen suhteen, mutta tarkkuus, joka tarvitaan erottamaan kilpailevat teoriat, on kiistetty pitkään. Lopulta tuli mahdolliseksi sulkea lopullisesti pois kaikki kilpailevat mallit erityistä suhteellisuusteoriaa lukuun ottamatta.

Nykyään erityissuhteellisuusteorian ennusteet vahvistetaan säännöllisesti hiukkaskiihdyttimissä , kuten Relativistisessa raskaassa ionitörmäyttimessä . Esimerkiksi relativistisen liikemäärän ja energian kasvu ei ole vain mitattavissa, vaan myös välttämätön syklotronien , synkrotronien jne. käyttäytymisen ymmärtämiseksi , jolla hiukkaset kiihtyvät lähellä valonnopeutta.

Sagnac ja Fizeau

Erikoissuhteellisuusteoria ennustaa myös, että kaksi vastakkaisiin suuntiin kulkevaa valonsädettä pyörivää suljettua polkua pitkin (kuten silmukka) vaativat eri lentoaikoja palatakseen liikkuvaan lähettäjään/vastaanottimeen (tämä on seurausta valonnopeuden riippumattomuudesta lähteen nopeus), katso alla. yllä). Tämä vaikutus on itse asiassa havaittu, ja sitä kutsutaan Sagnac-efektiksi . Tällä hetkellä tämän vaikutuksen huomioon ottaminen on välttämätöntä monissa kokeellisissa asetuksissa ja GPS :n oikean toiminnan kannalta .

Jos tällaisia ​​kokeita suoritetaan liikkuvassa väliaineessa (kuten vedessä tai optisessa lasikuidussa ), on myös Fresnel-vastuskerroin otettava huomioon, kuten Fizeau-kokeessa näkyy . Vaikka tämä vaikutus ymmärrettiin alun perin todisteeksi lähes paikallaan olevasta eetteristä tai osittaisesta eetterin vastusta, se voidaan helposti selittää erityisellä suhteellisuusteorialla käyttämällä nopeuksien summauslakia .

Testiteoriat

Useita testiteorioita on kehitetty arvioimaan mahdollista positiivista lopputulosta Lorentzia rikkovissa kokeissa lisäämällä tiettyjä parametreja standardiyhtälöihin. Näitä ovat Robertson-Mansouri-Sexl-rakenne (RMS) ja Standard Model Extension (SME). RMS:llä on kolme todennettavissa olevaa parametria koskien pituuden pienentämistä ja ajan laajenemista. Tästä voidaan arvioida mikä tahansa valonnopeuden anisotropia. Toisaalta pk-yritys sisältää monia Lorentzin rikkomusparametreja, ei vain erikoissuhteellisuusteoriaa, vaan myös standardimallia ja yleistä suhteellisuusteoriaa varten ; joten sillä on paljon suurempi määrä parametreja tarkistettavissa.

Muut nykyaikaiset testit

Viime vuosien erilaisten kvanttigravitaation mallien kehityksen yhteydessä poikkeamat Lorentzin invarianssista (ehkä näistä malleista johtuvat) ovat jälleen nousseet kokeilijoiden päämääräksi. Koska "paikallinen Lorentzin invarianssi" (LLI) pätee myös vapaasti putoavissa kehyksissä, kuuluvat myös heikkoa ekvivalenssiperiaatetta koskevat kokeet tähän testiluokkaan. Tulokset analysoidaan käyttämällä testiteorioita (kuten edellä mainittiin), kuten RMS tai, mikä tärkeämpää, pk-yritys [3] .

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 3 Laub, Jakob (1910). "Über die experimentellen Grundlagen des Relativitätsprinzips". Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik . 7 : 405-463.
  2. ↑ Zhang, Yuan Zhong. Erikoissuhteellisuusteoria ja sen kokeelliset perusteet . - World Scientific, 1997. - ISBN 978-981-02-2749-4 .
  3. ↑ 1 2 3 Mattingly, David (2005). "Lorentzin invarianssin nykyaikaiset testit". Living Rev. suhteellinen . 8 (5):5. arXiv : gr-qc/0502097 . Bibcode : 2005LRR.....8...5M . DOI : 10.12942/lrr-2005-5 . PMID28163649  _ _
  4. ↑ 1 2 Will, CM Special Relativity: A Centenary Perspective // Poincare-seminaari 2005  / T. Damour; O. Darrigol; B. duplantier; V. Rivasseau. - Basel: Birkhauser, 2005. - P.  33-58 . — ISBN 978-3-7643-7435-8 . - doi : 10.1007/3-7643-7436-5_2 .
  5. ↑ 12 Roberts . Mikä on erityissuhteellisuusteorian kokeellinen perusta? . Usenet Physics FAQ . Kalifornian yliopisto, Riverside . Haettu: 31. lokakuuta 2010.
  6. ↑ Lodge, Oliver, herra. Avaruuden eetteri . - New York: Harper and Brothers, 1909.
  7. ↑ Lämmerzahl, C. (2005). "Erikoissuhteellisuusteoria ja Lorentzin invarianssi". Annalen der Physik . 517 (1): 71-102. Bibcode : 2005AnP...517...71L . DOI : 10.1002/andp.200410127 .
  8. ↑ 12 Robertson, HP (1949) . "Postulaatti vs. havainnointi erityisessä suhteellisuusteoriassa". Modernin fysiikan arvostelut . 21 (3): 378-382. Bibcode : 1949RvMP...21..378R . DOI : 10.1103/RevModPhys.21.378 .
  9. ↑ Fox, JG (1965), Evidence Against Emission Theories , American Journal of Physics osa 33 (1): 1–17 , DOI 10.1119/1.1971219 
  10. ↑ Martínez, Alberto A. (2004), Ritz, Einstein ja päästöhypoteesi , Physics in Perspective osa 6 (1): 4–28 , DOI 10.1007/s00016-003-0195-6 
  11. ↑ Philippas, T. A. (1964). "Gammasäteiden nopeus liikkuvasta lähteestä". Fyysinen arvostelu . 135 (4B): B1071–1075. Bibcode : 1964PhRv..135.1071F . DOI : 10.1103/PhysRev.135.B1071 .
  12. ↑ Alvager, T.; Farley, FJM; Kjellman, J. & Wallin, L. (1964), Erikoissuhteellisuusteorian toisen postulaatin testi GeV-alueella , Physics Letters , osa 12 (3): 260–262 , DOI 10.1016/0031-9163(64)91095- 9 
  13. ↑ Brecher, K. (1977). "Onko valon nopeus riippumaton lähteen nopeudesta." Physical Review Letters . 39 (17): 1051-1054. Bibcode : 1977PhRvL..39.1051B . DOI : 10.1103/PhysRevLett.39.1051 .
  14. ↑ Fermi LAT Collaboration (2009). "Raja valonnopeuden vaihtelulle, joka johtuu kvanttigravitaation vaikutuksista." luonto . 462 (7271): 331-334. arXiv : 0908.1832 . Bibcode : 2009Natur.462..331A . DOI : 10.1038/luonto08574 . PMID  19865083 .
 Erikoissuhteellisuusteorian kokeellinen verifiointi
Nopeus/isotropia
Lorentzin invarianssi
Aikalaajennus
Lorentzin supistuminen
Energiaa
Fizeau/Sagnac
Vaihtoehtoja
Kenraali