Experimentell verifiering av speciell relativitet

Special relativitetsteori  är en fysikalisk teori som spelar en grundläggande roll för att beskriva alla fysiska fenomen när gravitationen kan försummas. Många experiment har spelat (och spelar) en viktig roll i dess utveckling och motivering. En teoris prediktiva kraft ligger i dess unika förmåga att korrekt, med hög noggrannhet, erhålla resultaten av extremt olika experiment. Många av dessa experiment replikeras fortfarande med ständigt ökande precision, och nuvarande experiment är fokuserade på effekter som förväntas på Planck-skalor och neutriner .forskning. Deras resultat överensstämmer med förutsägelserna om speciell relativitet. Samlingar av olika tester tillhandahålls av många författare: Jacob Laub [1] , Zhang [2] , Mattingly [3] , Clifford Will [4] och Roberts/Schleif [5] .

Special relativitetsteori är begränsad till platt rumtid , det vill säga alla fenomen utan betydande inflytande från gravitationen . Det senare ligger inom den allmänna relativitetsteoriens område , och relevanta tester av allmän relativitetsteori måste övervägas .

Experiment som banar väg för relativitetsteorin

Den rådande teorin om ljusutbredning på 1800-talet var den om den lysande etern , ett stationärt medium i vilket ljus färdas på ett sätt som liknar ljudet i luft. I analogi följer att ljusets hastighet är konstant i alla riktningar i etern och inte beror på källans hastighet. Således måste en observatör som rör sig i förhållande till etern mäta en slags "etervind", på samma sätt som en observatör som rör sig i förhållande till luften mäter den skenbara vinden .

Första ordningens experiment

Med utgångspunkt i François Aragos arbete (1810) genomfördes en serie optiska experiment som skulle ge positiva resultat för kvantiteter upp till första ordningen i v/c och som därmed skulle demonstrera eterns relativa rörelse. Men resultaten var negativa. Förklaringen gavs av Augustin Fresnel (1818) genom att införa en hjälphypotes, den så kallade "dragkoefficienten", det vill säga materia drar etern i liten utsträckning. Denna koefficient visades direkt av Fizeaus experiment (1851). Senare visades det att alla första ordningens optiska experiment måste ge ett negativt resultat på grund av denna koefficient. Dessutom utfördes några första ordningens elektrostatiska experiment, vilket återigen gav negativa resultat. I allmänhet introducerade Hendrik Lorenz (1892, 1895) flera nya hjälpvariabler för rörliga observatörer, vilket visar varför alla första ordningens optiska och elektrostatiska experiment gav noll resultat. Till exempel föreslog Lorentz en platsvariabel, genom vilken elektrostatiska fält upphäver på rörelselinjen, och en annan variabel ("lokal tid"), med vilken tidskoordinaterna för rörliga observatörer beror på deras nuvarande position [1] .

Andra ordningens experiment

Teorin om den stationära etern skulle dock ge positiva resultat om experimenten var tillräckligt noggranna för att mäta andra ordningens kvantiteter i v/c . Albert A. Michelson gjorde det första experimentet av detta slag 1881, följt av mer komplexa Michelson-Morley-mätningar 1887 . Två ljusstrålar, som under en tid gick i olika riktningar, reducerades till ett interferensmönster, så att en annan orientering i förhållande till den eteriska vinden borde ha lett till en förskjutning i interferenskanterna . Men resultatet blev återigen negativt. Vägen ut ur detta dilemma var förslaget från George Francis Fitzgerald (1889) och Lorentz (1892) att materia drar ihop sig i en rörelselinje med avseende på etern ( längdkontraktion ). Det vill säga, den gamla hypotesen om komprimering av elektrostatiska fält har utvidgats till intermolekylära krafter. Men eftersom det inte fanns någon teoretisk grund för detta ansågs komprimeringshypotesen ad hoc .

Förutom det optiska experimentet Michelson-Morley genomfördes också dess elektrodynamiska motsvarighet , Trouton-Noble- experimentet . Därför var han tvungen att visa att ett vridmoment måste verka på en rörlig kondensator . Dessutom var Rayleigh och Braces experiment avsedda att mäta några av konsekvenserna av längdsammandragning i laboratoriets referensram, såsom antagandet att detta skulle leda till dubbelbrytning . Alla dessa experiment ledde till negativa resultat. Troughton-Rankin-experimentet som genomfördes 1908 gav också ett negativt resultat när man mätte effekten av längdsammandragning på en elektromagnetisk spole [1] .

För att förklara alla experiment som utfördes före 1904, tvingades Lorentz att utöka sin teori igen genom att införa den fullständiga Lorentz-transformationen . Henri Poincaré konstaterade 1905 att omöjligheten att demonstrera absolut rörelse ( relativitetsprincipen ) verkar vara en naturlag.

Fullständiga eteriska vurm motbevisningar

Tanken att etern helt skulle kunna dras in i eller nära jorden, vilket skulle kunna förklara de negativa eterdriftexperimenten, har motbevisats av många experiment.

Lodge uttryckte den paradoxala situation i vilken fysiker befinner sig på följande sätt: "...i en nästan omöjlig hastighet... har materia någon märkbar viskös sammanhållning med etern. Atomerna måste kunna få det att vibrera om de vibrerar eller roterar med tillräcklig hastighet; annars skulle de inte avge ljus eller någon strålning; men i inget fall verkar de dra honom med sig eller möta motstånd i någon enhetlig rörelse genom honom ” [6] .

Special relativitetsteori

Översikt

I slutändan kom Albert Einstein (1905) till slutsatsen att de etablerade teorierna och de fakta som var kända vid den tiden bildar ett logiskt sammanhängande system först när idéer om rum och tid revideras i grunden. Till exempel:

Resultatet är speciell relativitet, som är baserad på ljusets hastighets konstanthet i alla tröghetsreferensramar och relativitetsprincipen . Här är Lorentz-transformationerna inte längre en enkel uppsättning stödhypoteser, utan speglar den grundläggande Lorentz-symmetrin och utgör grunden för framgångsrika teorier som kvantelektrodynamik . Special relativitetsteori erbjuder ett stort antal testbara förutsägelser, såsom [7] :

Relativitetsprincipen Konstantiteten av ljusets hastighet tidsutvidgning
Varje observatör som rör sig likformigt i en tröghetsreferensram kan inte bestämma hans "absoluta" rörelsetillstånd med hjälp av en medföljande experimentuppställning. I alla tröghetsreferensramar är ljusets uppmätta hastighet densamma i alla riktningar ( isotropi ), beror inte på källans hastighet och kan inte nås av massiva kroppar. Hastigheten för en klocka C (= valfri periodisk process) som rör sig mellan två synkroniserade klockor A och B, som är i vila i en tröghetsreferensram, ligger efter dessa två klockor.
Andra relativistiska effekter kan också mätas, såsom längdkontraktion , dopplereffekten , aberration och experimentella förutsägelser från relativistiska teorier som standardmodellen.

Grundläggande experiment

Effekterna av speciell relativitet kan härledas fenomenologiskt från följande tre grundläggande experiment [8] :

Från dessa tre experiment och med Poincaré-Einstein- synkroniseringen följer Lorentz-transformationerna  med Lorentz-faktorn [8] :

Förutom härledningen av Lorentz-transformationen är kombinationen av dessa erfarenheter också viktig eftersom de kan tolkas på olika sätt när de betraktas separat. Exempelvis kan experiment på isotropi, som Michelson-Morley-experimenten, ses som en enkel konsekvens av relativitetsprincipen, enligt vilken varje observatör som rör sig genom tröghet kan betrakta sig själv i vila. Således är själva Michelson-Morley-experimentet förenligt med galileiska invarianta teorier, såsom strålningsteorin eller den kompletta eterdragande hypotesen , som också innehåller en slags relativitetsprincip. Men när andra experiment som utesluter galileiska invarianta teorier beaktas ( till exempel Yves-Stilwell-experimentet, olika vederläggningar av emissionsteorier och vederläggningar av eterns totala motstånd ), förblir Lorentz invarianta teorier och därför speciell relativitetsteori de enda teorier som visar sig vara genomförbara.

Konstansen för ljusets hastighet

Interferometrar, resonatorer

Moderna versioner av Michelson-Morley- och Kennedy-Thorndike- experimenten utfördes för att testa ljusets hastighets isotropi . Till skillnad från Michelson-Morley-experimenten använder Kennedy-Thorndike-experimenten en interferometer med armar av olika längd, och mätningarna varar i flera månader. Således är det möjligt att observera påverkan av olika hastigheter under jordens rotation runt solen. Laser , maser och optiska kaviteter används , som minskar möjligheten för eventuell anisotropi av ljusets hastighet till nivån 10 −17 . Förutom marktester utfördes även experiment på månens laseravstånd som en variant av Kennedy-Thorndike-experimentet [4] .

En annan typ av isotropiexperiment är Mössbauer-rotorexperimenten på 1960-talet, som kan observera anisotropin av Dopplereffekten på en snurrande skiva med hjälp av Mössbauer-effekten (dessa experiment kan också användas för att mäta tidsdilatation, se nedan).

Inget beroende av källhastighet eller energi

Ballistiska teorier , enligt vilka ljusets hastighet beror på källans hastighet, kan tänkas förklara det negativa resultatet av etervindexperimenten. Det var inte förrän i mitten av 1960-talet som ljusets hastighet slutligen bevisades experimentellt, eftersom J. G. Fox 1965 visade att effekterna av extinktionsteoremet gör resultaten av alla tidigare experiment ofullständiga, och därför förenliga med både speciell relativitetsteori. och ballistisk relativitetsteori [9] [10] . Senare experiment uteslöt definitivt den ballistiska modellen: de tidigaste var de av Philippas och Fox (1964) [11] med rörliga gammastrålningskällor, och de av Alweger et al (1964) [12] som visade att fotoner inte förvärvar hastigheten på snabbt sönderfallande mesoner som var deras källa. Dessutom upprepade Brecher (1977) experimentet med de Sitter-systemet av dubbelstjärnor (1913), med hänsyn till extinktionssatsen, som också utesluter beroende av källan [13] .

Observationer av gammastrålar visade också att ljusets hastighet inte beror på ljusstrålarnas frekvens och energi [14] .

Enkelriktad ljushastighet

En serie ensidiga mätningar utfördes och alla bekräftade isotropin av ljusets hastighet [5] . Emellertid kan endast ljusets tvåvägshastighet (från A till B och tillbaka till A) entydigt mätas, eftersom envägshastigheten beror på definitionen av samtidighet och därför på metoden för synkronisering. Einsteins synkroniseringskonvention gör envägshastighet lika med tvåvägshastighet. Det finns dock många modeller som har en isotrop tvåvägsljushastighet, där envägshastigheten är anisotrop på grund av valet av olika tidsscheman. De är experimentellt likvärdiga med speciell relativitetsteori eftersom alla dessa modeller inkluderar effekter som tidsutvidgning av rörliga klockor som kompenserar för varje mätbar anisotropi. Av alla modeller som har en isotrop tvåvägshastighet är dock endast speciell relativitet acceptabel för den stora majoriteten av fysiker, eftersom alla andra synkroniseringar är mycket mer komplicerade, och dessa andra modeller (som Lorentz' teori om eter ) är baserade på extrema och osannolika antaganden. angående några dynamiska effekter som syftar till att dölja den "föredragna referensramen" från observation.

Isotropi av massa, energi och rymd

Klockjämförelseexperiment (periodiska processer och frekvenser kan ses som klockor), såsom Hughes–Drever-experimenten , ger rigorösa experimentella tester av systemet för Lorentz-invarians . De är inte begränsade till fotonsektorn, som i Michelson-Morley-experimentet, utan bestämmer direkt varje anisotropi av massa, energi eller rymd genom att mäta kärnornas grundtillstånd . En övre gräns på 10−33 GeV för sådan anisotropi har erhållits . Således är dessa experiment bland de mest exakta testerna av Lorentz-invarians som någonsin gjorts [3] .

Tidsutvidgning och längdkontraktion

Den tvärgående Dopplereffekten och följaktligen utvidgningen av tiden observerades först direkt i Yves-Stilwells experiment (1938). I moderna Ives-Stillwell-experiment i tunga jonlagringsringar med mättnadsspektroskopi var den maximala uppmätta avvikelsen av tidsdilatation från den relativistiska förutsägelsen begränsad till ≤ 10-8 . Andra bevis för tidsdilatation inkluderar Mössbauer-rotorexperiment , där gammastrålar riktades från mitten av en snurrande skiva till en mottagare vid skivans kant, så att den tvärgående Dopplereffekten kunde uppskattas med hjälp av Mössbauer-effekten . Genom att mäta livslängden för myoner i atmosfären och i partikelacceleratorer testades även tidsutvidgningen av rörliga partiklar. Å andra sidan bekräftade Hafele-Keating-experimentet upplösningen av tvillingparadoxen , det vill säga att klockan som rör sig från A till B tillbaka till A släpar efter den ursprungliga klockan. Men effekterna av allmän relativitet spelar också en betydande roll i detta experiment.

I praktiken är det svårt att få direkt bekräftelse på längdkontraktion , eftersom storlekarna på observerade partiklar är försvinnande små. Det finns dock indirekta bevis; till exempel kan beteendet hos kolliderande tunga joner endast förklaras om deras ökade densitet på grund av Lorentz kontraktion beaktas. Kompression leder också till en ökning av Coulomb-fältstyrkan vinkelrätt mot rörelseriktningen, vars effekter redan har observerats. När man gör experiment på partikelacceleratorer måste man därför ta hänsyn till både tidsutvidgning och längdkontraktion.

Relativistisk fart och energi

Med början 1901 utfördes ett antal mätningar som syftade till att visa elektronmassans beroende av hastighet. Resultaten visade visserligen ett sådant samband, men den noggrannhet som krävs för att skilja mellan konkurrerande teorier har länge varit omtvistad. Så småningom blev det möjligt att definitivt utesluta alla konkurrerande modeller utom speciell relativitetsteori.

Idag bekräftas förutsägelserna om speciell relativitet regelbundet vid partikelacceleratorer som Relativistic Heavy Ion Collider . Till exempel är ökningen av relativistisk rörelsemängd och energi inte bara mätbar, utan också nödvändig för att förstå beteendet hos cyklotroner , synkrotroner , etc., genom vilka partiklar accelereras till hastigheter nära ljusets hastighet.

Sagnac och Fizeau

Special relativitetsteori förutspår också att två ljusstrålar som rör sig i motsatta riktningar längs en roterande sluten bana (som en slinga) kräver olika flygtider för att återvända till den rörliga sändaren/mottagaren (detta är en konsekvens av ljusets hastighets oberoende från källans hastighet), se nedan. ovan). Denna effekt har faktiskt observerats och kallas Sagnac-effekten . För närvarande är det nödvändigt att ta hänsyn till denna effekt för många experimentella inställningar och för att GPS ska fungera korrekt .

Om sådana experiment utförs i rörliga medier (som vatten eller en optisk glasfiber ) måste Fresnel-motståndskoefficienten också beaktas, vilket visas i Fizeau-experimentet . Även om denna effekt ursprungligen uppfattades som bevis på en nästan stationär eter eller partiell etermotstånd, kan den lätt förklaras av speciell relativitetsteori med hjälp av lagen om addition av hastigheter .

Testteorier

Flera testteorier har utvecklats för att utvärdera det möjliga positiva resultatet i Lorentz-överträdande experiment genom att lägga till vissa parametrar till standardekvationerna. Dessa inkluderar Robertson-Mansouri-Sexl-strukturen (RMS) och Standard Model Extension (SME). RMS har tre verifierbara parametrar avseende längdminskning och tidsutvidgning. Härifrån kan man uppskatta vilken anisotropi som helst av ljusets hastighet. Å andra sidan inkluderar SME många Lorentz-överträdelseparametrar inte bara för speciell relativitetsteori utan också för standardmodellen och allmän relativitetsteori ; därför har den ett mycket större antal parametrar att kontrollera.

Andra moderna tester

I samband med utvecklingen rörande olika modeller av kvantgravitation under de senaste åren har avvikelser från Lorentz-invarians (kanske härrörande från dessa modeller) åter blivit försöksledares mål. Eftersom "local Lorentz invariance" (LLI) även gäller i fritt fallande ramar, tillhör även experiment som rör den svaga ekvivalensprincipen denna klass av tester. Resultaten analyseras med hjälp av testteorier (som nämnts ovan) som RMS eller, ännu viktigare, SME [3] .

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 Laub, Jakob (1910). "Över die experimentellen Grundlagen des Relativitätsprinzips". Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik . 7 : 405-463.
  2. ↑ Zhang, Yuan Zhong. Special relativitetsteori och dess experimentella grunder . - World Scientific, 1997. - ISBN 978-981-02-2749-4 .
  3. ↑ 1 2 3 Mattingly, David (2005). "Moderna tester av Lorentz-invarians". Levande Rev. släkting . 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 Seminar 2005  / T. Damour; O. Darrigol; B. duplantier; V. Rivasseau. - Basel: Birkhauser, 2005. -  S. 33-58 . — ISBN 978-3-7643-7435-8 . - doi : 10.1007/3-7643-7436-5_2 .
  5. ↑ 12 Roberts . Vad är den experimentella grunden för Special Relativity? . Usenet Physics FAQ . University of California, Riverside . Hämtad: 31 oktober 2010.
  6. ↑ Lodge, Oliver, Sir. Rymdens eter . — New York: Harper och bröder, 1909.
  7. ↑ Lämmerzahl, C. (2005). "Särskild relativitet och Lorentz-invarians". Annalen der Physik . 517 (1): 71-102. Bibcode : 2005AnP...517...71L . DOI : 10.1002/andp.200410127 .
  8. ↑ 12 Robertson, HP (1949) . "Postulat kontra observation i den speciella relativitetsteorin". Recensioner av modern fysik . 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 vol 33 (1): 1–17 , DOI 10.1119/1.1971219 
  10. ↑ Martínez, Alberto A. (2004), Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis , Physics in Perspective vol 6 (1): 4–28 , DOI 10.1007/s00016-003-0195-6 
  11. ↑ Philippas, T. A. (1964). "Gammastrålars hastighet från en rörlig källa". Fysisk granskning . 135 (4B): B1071–1075. Bibcode : 1964PhRv..135.1071F . DOI : 10.1103/PhysRev.135.B1071 .
  12. ↑ Alvager, T.; Farley, FJM; Kjellman, J. & Wallin, L. (1964), Test av det andra postulatet för speciell relativitet i GeV-regionen , Physics Letters vol. 12 (3): 260–262 , DOI 10.1016/0031-9163(64)91095- 9 
  13. ↑ Brecher, K. (1977). "Är ljusets hastighet oberoende av källans hastighet." Fysiska granskningsbrev . 39 (17): 1051-1054. Bibcode : 1977PhRvL..39.1051B . DOI : 10.1103/PhysRevLett.39.1051 .
  14. ↑ Fermi LAT Collaboration (2009). "En gräns för variationen av ljusets hastighet som härrör från kvantgravitationseffekter." naturen . 462 (7271): 331-334. arXiv : 0908.1832 . Bibcode : 2009Natur.462..331A . DOI : 10.1038/nature08574 . PMID  19865083 .
 Experimentell verifiering av speciell relativitet
Hastighet/Isotropi
Lorentz invarians
Tidsutvidgning
Lorentz kontraktion
Energi
Fizeau/Sagnac
Alternativ
Allmän