Hughes och Drevers experiment (även klockjämförelse, massisotropi eller energiisotropiexperiment) är spektroskopiska tester av massa- och rymdisotropi . Även om det ursprungligen var tänkt som ett test av Machs princip , förstås det nu som ett viktigt test av Lorentz-invarians . Liksom i Michelson-Morley-experimentet kan man testa förekomsten av en föredragen referensram eller andra avvikelser från Lorentz-invarians, vilket också påverkar giltigheten av ekvivalensprincipen . Således behandlar dessa experiment grundläggande aspekter av både speciell och allmän relativitet . Till skillnad från experiment av Michelson-Morley-typ, testar Hughes och Drevers experiment isotropin av växelverkan mellan själva materien, det vill säga protoner , neutroner och elektroner . Den noggrannhet som uppnås gör denna typ av experiment till en av de mest exakta bekräftelserna på relativitetsteorin (se även Tester av speciell relativitet ) [A 1] [A 2] [A 3] [A 4] [A 5] [A 6 ] .
Giuseppe Cocconi och Edwin Ernest Salpeter (1958) föreslog att tröghet beror på de omgivande massorna i enlighet med Machs princip . Således skulle en ojämn fördelning av materia leda till anisotropi av tröghet i olika riktningar. Heuristiska argument fick dem att tro att för vilken anisotropi av tröghet som helst, om någon, massbidraget från mitten av vår Vintergatans galax skulle dominera . De hävdade att denna anisotropi kan observeras på två sätt: genom att mäta Zeeman-splittringen i en atom [1] eller genom att mäta Zeeman-splittringen i ett exciterat kärntillstånd 57
Fe använder Mössbauer-effekten [2] .
Vernon W. Hughes et al (1960) [3] och Ronald Drever (1961) [4] utförde oberoende liknande spektroskopiska experiment för att testa Machs princip. De använde dock inte Mössbauer-effekten, utan genomförde magnetiska resonansmätningar av litium -7- kärnan , vars grundtillstånd har ett spinn på 3 ⁄ 2 . Grundtillståndet delas upp i fyra ekvidistanta magnetiska energinivåer när de mäts i ett magnetfält enligt tillåtna magnetiska kvanttal . Kärnvågsfunktioner för olika energinivåer har olika rumsfördelningar med avseende på magnetfältet och har därför olika riktningsegenskaper. Om massisotropi observeras måste varje övergång mellan ett par intilliggande nivåer avge en foton med samma frekvens, vilket resulterar i en enda skarp spektrallinje. Å andra sidan, om trögheten är riktningsberoende, bör en trippel eller breddad resonanslinje observeras. Under 24-timmarsversionen av Drevers experiment roterade jorden och magnetfältsaxeln täckte olika delar av himlen. Drever ägnade särskild uppmärksamhet åt spektrallinjens beteende när magnetfältet korsar galaxens centrum [A 7] . Varken Hughes eller Drever observerade en frekvensförskjutning i energinivåerna, och på grund av den höga precisionen i deras experiment kunde den maximala anisotropin begränsas till 0,04 Hz = 10 −25 GeV .
Beträffande implikationerna av nollresultatet för Machs princip, visade Robert H. Dicke (1961) att det är förenligt med denna princip om den rumsliga anisotropin är densamma för alla partiklar. Således visar nollresultatet snarare att effekterna av tröghetsanisotropi, om de existerar, är universella för alla partiklar och inte är lokalt observerbara [5] .
Även om motivet för detta experiment var att testa Machs princip, har det sedan dess blivit det accepterade testet av Lorentz invarians och därmed av speciell relativitet . Detta beror på det faktum att anisotropieffekter även uppstår i närvaro av en föredragen och Lorentz-överträdande referensram, som vanligtvis identifieras med CMB -stödramen som en slags lysande eter (relativ hastighet på cirka 368 km/s) . Därför utesluter de negativa resultaten av Hughes- och Drever-experimenten (liksom Michelson-Morley-experimenten ) förekomsten av en sådan referensram. I synnerhet Hughes och Drevers tester för kränkningar av Lorentz invarians beskrivs ofta av testteorin om speciell relativitet , som lagts fram av Clifford Will . Enligt denna modell kan överträdelser av Lorentz-invariansen i närvaro av föredragna referensramar leda till skillnader mellan den maximalt uppnåbara hastigheten för massiva partiklar och ljusets hastighet. Om de var olika skulle egenskaperna och frekvenserna för interaktioner av materia också förändras. Dessutom är en grundläggande konsekvens av den allmänna relativitetsteoriens ekvivalensprincip att Lorentz-invarians lokalt tillfredsställs i fritt rörliga referensramar (lokal Lorentz-invarians). Detta betyder att resultaten av detta experiment relaterar till både speciell och allmän relativitetsteori [A 1] [A 2] .
Eftersom olika frekvenser ("klockor") jämförs, kallas dessa experiment även för klockjämförelseexperiment [A 3] [A 4] .
Förutom kränkningar av Lorentz-invarians på grund av den föredragna referensramen eller influenser baserade på Mach-principen, finns det också sökningar efter spontana kränkningar av Lorentz-invarians och CPT-symmetri , motiverade av förutsägelser av olika modeller av kvantgravitation som antar deras existens. Moderna versioner av Hughes och Drevers experiment har utförts för att studera möjliga brott mot Lorentz-invarians och CPT-invarians i neutroner och protoner . Användningen av spinnpolariserade system och komagnetometrar (för att undertrycka magnetiska influenser) har avsevärt ökat noggrannheten och känsligheten hos dessa experiment. Dessutom testades den elektroniska sektorn [A 5] [A 6] med en spinnpolariserad torsionsbalans .
Alla dessa experiment har hittills gett negativa resultat, så det finns inga tecken på en föredragen referensram eller någon annan form av Lorentz-kränkning. Värdena i följande tabell är relaterade till koefficienterna som ges av Standard Model Extension (SME), en ofta använd effektiv fältteori för att utvärdera möjliga brott mot Lorentz-invarians (se även andra speciella relativitetsteorier). Därför kan varje avvikelse från Lorentz-invariansen associeras med specifika koefficienter. Eftersom ett antal koefficienter testas i dessa experiment anges endast värdet på den maximala känsligheten (för exakta data, se separata artiklar): [A 3] [A 8] [A 4] .
| Författare | År | restriktioner för små och medelstora företag | Beskrivning | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Proton | Neutron | Elnetron | |||
| Prestage et al. [6] | 1985 | 10 −27 | Jämförelse av nukleär övergång med spin flip9 Var i Penning-fällan och Neutral Hydrogen Radio Link . | ||
| Phillips [7] | 1987 | 10 −27 | Harmoniska svängningar av en kryogen torsionspendel som bär en transversellt polariserad magnet studerades. | ||
| Lamoreaux et al. [åtta] | 1989 | 10 −29 | Dipol- och kvadrupolspinpolarisering inducerades i201 Hg- par för vilket fyrpoliga energiskift observerades. | ||
| Chupp et al. [9] | 1989 | 10 −27 | Den tidsberoende kvadrupoldelningen av Zeeman-nivåerna studeras. gaser21 Ne och3 Han polariseras av spinnutbyte och jämförs. | ||
| Wineland et al. [tio] | 1991 | 10 −25 | Anomala dipol-monopol- och dipol-dipolkopplingar undersöks genom att studera hyperfina resonanser i9 Var . | ||
| Berglund et al. [elva] | 1995 | 10 −27 | 10 −30 | 10 −27 | Frekvenserna 199 Hg och 133 Cs jämfördes i ett magnetfält. |
| Bear et al. [12] | 2000 | 10 −31 | Frekvenser jämfördes129 Xe och3 Han i ett magnetfält. | ||
| Phillips et al. [13] | 2000 | 10 −27 | Zeeman-frekvensen för vätemasern. | ||
| Humphrey et al. [fjorton] | 2003 | 10 −27 | 10 −27 | På liknande sätt har Phillips et al. (2000). | |
| Cane et al. [femton] | 2004 | 10 −32 | I likhet med Bear et al. (2000). | ||
| Wolf et al. [16] | 2006 | 10 −25 | Atomfrekvenser mäts med laserkylda atomära fontäner133 Cs . | ||
| Heckel et al. [17] | 2006 | 10 −30 | De använde en torsionspendel med fyra sektioner i Alnico och fyra sektioner i Sm 5 Co. | ||
| Heckel et al. [arton] | 2008 | 10 −31 | På liknande sätt har Heckel et al. (2006). | ||
| Brown et al. [19] | 2010 | 10 −32 | 10 −33 | Frekvensjämförelse K /3 Han komagnetometer. | |
| Smiciklas et al. [tjugo] | 2011 | 10 −29 | Jämförelse av frekvenser i21 Ne / Rb / K komagnetometer. Verifiering av den maximalt uppnåbara neutronhastigheten. | ||
| Peck et al. [21] | 2012 | 10 −30 | 10 −31 | På liknande sätt har Berglund et al. (1995). | |
| Experimentell verifiering av speciell relativitet | |
|---|---|
| Hastighet/Isotropi | |
| Lorentz invarians |
|
| Tidsutvidgning Lorentz kontraktion |
|
| Energi |
|
| Fizeau/Sagnac | |
| Alternativ | |
| Allmän |
|