Eksperimentel verifikation af speciel relativitetsteori

Særlig relativitetsteori  er en fysisk teori , der spiller en grundlæggende rolle i beskrivelsen af ​​alle fysiske fænomener, når tyngdekraften kan negligeres. Mange eksperimenter har spillet (og spiller) en vigtig rolle i dets udvikling og berettigelse. En teoris forudsigelsesevne ligger i dens unikke evne til korrekt at opnå resultaterne af ekstremt forskellige eksperimenter med høj nøjagtighed. Mange af disse eksperimenter bliver stadig replikeret med stadigt stigende præcision, og moderne eksperimenter er fokuseret på de forventede effekter i Planck-skalaer og i neutrinostudier . Deres resultater er i overensstemmelse med forudsigelserne om speciel relativitet. Samlinger af forskellige tests leveres af mange forfattere: Jacob Laub [1] , Zhang [2] , Mattingly [3] , Clifford Will [4] og Roberts/Schleif [5] .

Særlig relativitet er begrænset til flad rumtid , det vil sige alle fænomener uden væsentlig indflydelse fra tyngdekraften . Sidstnævnte ligger inden for den generelle relativitetsteori , og de relevante test af generel relativitetsteori skal overvejes .

Eksperimenter, der baner vejen for relativitetsteorien

Den fremherskende teori om lysudbredelse i det 19. århundrede var teorien om den lysende æter , et stationært medium, hvori lyset bevæger sig på en måde, der ligner lyden i luften. Analogt følger det, at lysets hastighed er konstant i alle retninger i æteren og ikke afhænger af kildens hastighed. En observatør, der bevæger sig i forhold til æteren, skal således måle en slags "ætervind", på samme måde som en iagttager, der bevæger sig i forhold til luft, måler den tilsyneladende vind .

Første ordens eksperimenter

Begyndende med François Aragos arbejde (1810) blev der udført en række optiske eksperimenter, som skulle give positive resultater for mængder op til første orden i v/c og som dermed skulle demonstrere æterens relative bevægelse. Alligevel var resultaterne negative. Forklaringen blev givet af Augustin Fresnel (1818) ved at indføre en hjælpehypotese, den såkaldte "modtrækkoefficient", det vil sige, at stof trækker æteren i ringe grad. Denne koefficient blev direkte demonstreret af Fizeaus eksperiment (1851). Senere blev det vist, at alle første-ordens optiske eksperimenter må give et negativt resultat på grund af denne koefficient. Derudover blev der udført nogle førsteordens elektrostatiske forsøg, som igen gav negative resultater. Generelt introducerede Hendrik Lorenz (1892, 1895) adskillige nye hjælpevariabler for bevægelige observatører, hvilket viser hvorfor alle førsteordens optiske og elektrostatiske eksperimenter gav nul resultater. For eksempel foreslog Lorentz en lokationsvariabel, hvorved elektrostatiske felter ophæver på bevægelseslinjen, og en anden variabel ("lokal tid"), hvormed tidskoordinaterne for bevægende observatører afhænger af deres aktuelle placering [1] .

Anden ordens eksperimenter

Teorien om den stationære æter ville dog give positive resultater, hvis eksperimenterne var nøjagtige nok til at måle andenordens mængder i v/c . Albert A. Michelson lavede det første eksperiment af denne art i 1881, efterfulgt af mere komplekse Michelson-Morley-målinger i 1887 . To lysstråler, der i nogen tid gik i forskellige retninger, blev reduceret til et interferensmønster, således at en anden orientering i forhold til den æteriske vind skulle have ført til et skift i interferenskanterne . Men resultatet blev igen negativt. Vejen ud af dette dilemma var forslag fra George Francis Fitzgerald (1889) og Lorentz (1892), at stoffet trækker sig sammen i en bevægelseslinje i forhold til æteren ( længdekontraktion ). Det vil sige, at den gamle hypotese om komprimering af elektrostatiske felter er blevet udvidet til intermolekylære kræfter. Men da der ikke var noget teoretisk grundlag for dette, blev kompressionshypotesen betragtet som ad hoc .

Ud over det optiske Michelson-Morley-eksperiment blev dets elektrodynamiske ækvivalent , Trouton-Noble- eksperimentet, også udført . Derfor skulle han vise, at et drejningsmoment skal virke på en bevægelig kondensator . Derudover var Rayleigh og Braces eksperimenter beregnet til at måle nogle af konsekvenserne af længdekontraktion i laboratoriets referenceramme, såsom antagelsen om, at dette ville føre til dobbeltbrydning . Alle disse eksperimenter førte til negative resultater. Troughton-Rankin-eksperimentet udført i 1908 gav også et negativt resultat ved måling af virkningen af ​​længdesammentrækning på en elektromagnetisk spole [1] .

For at forklare alle de eksperimenter, der blev udført før 1904, blev Lorentz tvunget til at udvide sin teori igen ved at introducere den fulde Lorentz-transformation . Henri Poincaré udtalte i 1905, at umuligheden af ​​at demonstrere absolut bevægelse ( relativitetsprincippet ) ser ud til at være en naturlov.

Fuld æterisk dille tilbagevisninger

Ideen om, at æteren kunne trækkes helt ind i eller nær Jorden, hvilket kunne forklare de negative æterdriftseksperimenter, er blevet tilbagevist af mange eksperimenter.

Lodge udtrykte den paradoksale situation, som fysikere befinder sig i, på følgende måde: "...i en næsten umulig hastighed... har stof [har] nogen mærkbar viskøs sammenhæng med æteren. Atomerne skal kunne få det til at vibrere, hvis de vibrerer eller roterer med tilstrækkelig hastighed; ellers ville de ikke udsende lys eller nogen stråling; men i intet tilfælde ser de ud til at trække ham med sig eller møde modstand i nogen ensartet bevægelse gennem ham ” [6] .

Særlig relativitetsteori

Oversigt

I sidste ende kom Albert Einstein (1905) til den konklusion, at de etablerede teorier og de kendsgerninger, der var kendt på det tidspunkt, kun danner et logisk sammenhængende system, når ideer om rum og tid revideres grundlæggende. For eksempel:

Resultatet er speciel relativitet, som er baseret på lysets hastigheds konstanthed i alle inertiereferencerammer og relativitetsprincippet . Her er Lorentz-transformationerne ikke længere et simpelt sæt understøttende hypoteser, men afspejler den grundlæggende Lorentz-symmetri og danner grundlaget for vellykkede teorier såsom kvanteelektrodynamik . Særlig relativitetsteori tilbyder et stort antal testbare forudsigelser, såsom [7] :

Relativitetsprincippet Konstansen af ​​lysets hastighed tidsudvidelse
Enhver ensartet bevægende observatør i en inertiereferenceramme kan ikke bestemme sin "absolutte" bevægelsestilstand ved hjælp af en medfølgende eksperimentel opsætning. I alle inertiereferencerammer er den målte lyshastighed den samme i alle retninger ( isotropi ), afhænger ikke af kildens hastighed og kan ikke nås af massive legemer. Hastigheden af ​​et ur C (= enhver periodisk proces), der bevæger sig mellem to synkroniserede ure A og B, som er i ro i en inertiereferenceramme, halter efter disse to ure.
Andre relativistiske effekter kan også måles, såsom længdekontraktion , Doppler-effekten , aberration og eksperimentelle forudsigelser fra relativistiske teorier såsom standardmodellen.

Grundlæggende eksperimenter

Virkningerne af speciel relativitet kan fænomenologisk udledes af følgende tre fundamentale eksperimenter [8] :

Fra disse tre eksperimenter og ved hjælp af Poincaré-Einstein- synkroniseringen følger Lorentz-transformationerne  med Lorentz-faktoren [8] :

Bortset fra udledningen af ​​Lorentz-transformationen, er kombinationen af ​​disse erfaringer også vigtig, fordi de kan fortolkes på forskellige måder, når de betragtes separat. For eksempel kan eksperimenter med isotropi, såsom Michelson-Morley-eksperimenterne, ses som en simpel konsekvens af relativitetsprincippet, ifølge hvilket enhver observatør, der bevæger sig ved inerti, kan betragte sig selv i ro. Således er selve Michelson-Morley-eksperimentet foreneligt med galileiske invariante teorier, såsom strålingsteorien eller den komplette æter-slæbende hypotese , som også indeholder en slags relativitetsprincip. Men når andre eksperimenter, der udelukker galileiske invariante teorier, overvejes ( f.eks. Yves-Stilwell-eksperimentet, forskellige gendrivelser af emissionsteorier og gendrivelser af æterens samlede modstand ), forbliver Lorentz invariante teorier og derfor særlige relativitetsteorier de eneste teorier, der viser sig at være holdbare.

Konstansen af ​​lysets hastighed

Interferometre, resonatorer

Moderne versioner af Michelson-Morley- og Kennedy-Thorndike- eksperimenterne blev udført for at teste lysets hastigheds isotropi . I modsætning til Michelson-Morley eksperimenterne bruger Kennedy-Thorndike eksperimenterne et interferometer med arme af forskellig længde, og målingerne varer flere måneder. Det er således muligt at observere indflydelsen af ​​forskellige hastigheder under Jordens omdrejning omkring Solen. Der anvendes laser- , maser- og optiske hulrum , som reducerer muligheden for enhver anisotropi af lysets hastighed til niveauet 10-17 . Ud over jordforsøg blev der også udført eksperimenter med laserafstandsmåling af Månen som en variation af Kennedy-Thorndike-eksperimentet [4] .

En anden type isotropi-eksperiment er Mössbauer -rotoreksperimenterne i 1960'erne, som kan observere anisotropien af ​​Doppler-effekten på en roterende skive ved hjælp af Mössbauer-effekten (disse eksperimenter kan også bruges til at måle tidsudvidelse, se nedenfor).

Ingen afhængighed af kildehastighed eller energi

Ballistiske teorier , hvorefter lysets hastighed afhænger af kildens hastighed, kan tænkes at forklare det negative resultat af ætervindeksperimenterne. Det var først i midten af ​​1960'erne, at konstanten af ​​lyshastigheden endelig blev bevist eksperimentelt, da J. G. Fox i 1965 viste, at virkningerne af ekstinktionssætningen gør resultaterne af alle tidligere eksperimenter uoverskuelige, og derfor kompatible med både den særlige relativitetsteori. og ballistisk relativitetsteori [9] [10] . Senere eksperimenter udelukkede definitivt den ballistiske model: de tidligste var dem af Philippas og Fox (1964) [11] ved brug af bevægelige gammastrålekilder, og dem af Alweger et al. (1964) [12] , som viste, at fotoner ikke erhverver hastigheden af ​​hurtigt henfaldende mesoner, der var deres kilde. Derudover gentog Brecher (1977) eksperimentet med de Sitter-systemet af dobbeltstjerner (1913) under hensyntagen til ekstinktionssætningen, som også udelukker afhængighed af kilden [13] .

Observationer af gammastråleudbrud viste også, at lysets hastighed ikke afhænger af lysstrålernes frekvens og energi [14] .

Envejs lyshastighed

En række ensidige målinger blev udført, og alle bekræftede isotropien af ​​lysets hastighed [5] . Imidlertid kan kun lysets tovejshastighed (fra A til B og tilbage til A) entydigt måles, da envejshastigheden afhænger af definitionen af ​​samtidighed og derfor af synkroniseringsmetoden. Einsteins synkroniseringskonvention gør envejshastighed lig med tovejshastighed. Der er dog mange modeller, der har en isotrop to-vejs lyshastighed, hvor envejshastigheden er anisotrop på grund af valget af forskellige timing-skemaer. De svarer eksperimentelt til speciel relativitet, fordi alle disse modeller inkluderer effekter såsom tidsudvidelse af bevægelige ure, der kompenserer for enhver målbar anisotropi. Men af ​​alle de modeller, der har en isotrop tovejshastighed, er kun speciel relativitet acceptabel for langt de fleste fysikere, da alle andre synkroniseringer er meget mere komplicerede, og disse andre modeller (såsom Lorentz' teori om æter ) er baseret på ekstreme og usandsynlige antagelser. vedrørende nogle dynamiske effekter, der har til formål at skjule den "foretrukne referenceramme" fra observation.

Isotropi af masse, energi og rum

Ursammenligningseksperimenter (periodiske processer og frekvenser kan opfattes som ure), såsom Hughes-Drever-eksperimenterne , giver strenge eksperimentelle test af systemet for Lorentz-invarians . De er ikke begrænset til fotonsektoren, som i Michelson-Morley-eksperimentet, men bestemmer direkte enhver anisotropi af masse, energi eller rum ved at måle kernernes grundtilstand . En øvre grænse på 10-33 GeV for sådan anisotropi er opnået . Disse eksperimenter er således blandt de mest nøjagtige test af Lorentz-invarians, der nogensinde er lavet [3] .

Tidsudvidelse og længdekontraktion

Den tværgående Doppler-effekt og følgelig udvidelsen af ​​tiden blev først observeret direkte i Yves-Stilwells eksperiment (1938). I moderne Ives-Stillwell-eksperimenter i tunge ionopbevaringsringe ved anvendelse af mætningsspektroskopi blev den maksimalt målte afvigelse af tidsdilatation fra den relativistiske forudsigelse begrænset til ≤ 10-8 . Andre beviser for tidsudvidelse omfatter Mössbauer-rotoreksperimenter , hvor gammastråler blev rettet fra midten af ​​en roterende skive til en modtager ved kanten af ​​skiven, så den tværgående Doppler-effekt kunne estimeres ved hjælp af Mössbauer-effekten . Ved at måle levetiden af ​​myoner i atmosfæren og i partikelacceleratorer blev tidsudvidelsen af ​​bevægelige partikler også testet. På den anden side bekræftede Hafele-Keating-eksperimentet opløsningen af ​​tvillingeparadokset , det vil sige, at uret, der bevæger sig fra A til B tilbage til A, halter bagefter det oprindelige ur. Imidlertid spiller virkningerne af generel relativitetsteori også en væsentlig rolle i dette eksperiment.

I praksis er det svært at opnå direkte bekræftelse af længdekontraktion , da størrelserne af observerede partikler er forsvindende små. Der er dog indirekte beviser; for eksempel kan adfærden af ​​kolliderende tunge ioner kun forklares, hvis deres øgede tæthed på grund af Lorentz kontraktion tages i betragtning. Kompression fører også til en stigning i Coulomb-feltstyrken vinkelret på bevægelsesretningen, hvis virkninger allerede er blevet observeret. Når der udføres forsøg på partikelacceleratorer, skal der derfor tages hensyn til både tidsudvidelse og længdekontraktion.

Relativistisk momentum og energi

Fra 1901 blev der udført en række målinger med det formål at demonstrere elektronmassens afhængighed af hastighed. Resultaterne viste en sådan sammenhæng, men den nøjagtighed, der kræves for at skelne mellem konkurrerende teorier, har længe været omstridt. Til sidst blev det muligt definitivt at udelukke alle konkurrerende modeller undtagen speciel relativitetsteori.

I dag bekræftes forudsigelserne om speciel relativitet regelmæssigt ved partikelacceleratorer såsom den relativistiske tunge ion-kollider . For eksempel er stigningen i relativistisk momentum og energi ikke kun målbar, men også nødvendig for at forstå adfærden af ​​cyklotroner , synkrotroner osv., hvorved partikler accelereres til hastigheder tæt på lysets hastighed.

Sagnac og Fizeau

Speciel relativitet forudsiger også, at to lysstråler, der bevæger sig i modsatte retninger langs en roterende lukket bane (som en sløjfe) kræver forskellige flyvetider for at vende tilbage til den bevægelige sender/modtager (dette er en konsekvens af uafhængigheden af ​​lyshastigheden fra kildens hastighed), se nedenfor. ovenfor). Denne effekt er faktisk blevet observeret og kaldes Sagnac-effekten . På nuværende tidspunkt er det nødvendigt at tage hensyn til denne effekt for mange eksperimentelle opsætninger og for den korrekte funktion af GPS .

Hvis sådanne eksperimenter udføres i bevægelige medier (såsom vand eller en optisk glasfiber ), skal Fresnel-modstandskoefficienten også tages i betragtning, som vist i Fizeau-eksperimentet . Selvom denne effekt oprindeligt blev forstået som bevis på en næsten stationær æter eller delvis ætermodstand, kan den let forklares ved speciel relativitet ved hjælp af loven om addition af hastigheder .

Testteorier

Adskillige testteorier er blevet udviklet til at evaluere det mulige positive udfald i Lorentz-overtrædende eksperimenter ved at tilføje visse parametre til standardligningerne. Disse omfatter Robertson-Mansouri-Sexl-strukturen (RMS) og Standard Model Extension (SME). RMS har tre verificerbare parametre vedrørende længdereduktion og tidsudvidelse. Herfra kan man estimere enhver anisotropi af lysets hastighed. På den anden side inkluderer SMV'en mange Lorentz-overtrædelsesparametre, ikke kun for speciel relativitet, men også for standardmodellen og generel relativitetsteori ; den har således et meget større antal parametre at kontrollere.

Andre moderne tests

I forbindelse med udviklingen vedrørende forskellige modeller af kvantetyngdekraft i de senere år, er afvigelser fra Lorentz-invarians (måske som følge af disse modeller) igen blevet forsøgsledernes mål. Da "lokal Lorentz-invarians" (LLI) også gælder i frit faldende rammer, hører eksperimenter vedrørende det svage ækvivalensprincip også til denne klasse af test. Resultaterne analyseres ved hjælp af testteorier (som nævnt ovenfor) såsom RMS eller, endnu vigtigere, SME [3] .

Noter

  1. ↑ 1 2 3 Laub, Jakob (1910). "Über die eksperimentelle Grundlagen des Relativitätsprinzips". Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik . 7 : 405-463.
  2. ↑ Zhang, Yuan Zhong. Særlig relativitet og dens eksperimentelle grundlag . - World Scientific, 1997. - ISBN 978-981-02-2749-4 .
  3. ↑ 1 2 3 Mattingly, David (2005). "Moderne test af Lorentz-invarians". Levende Rev. slægtning . 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 . Hvad er det eksperimentelle grundlag for Special Relativity? . Usenet Physics FAQ . University of California, Riverside . Hentet: 31. oktober 2010.
  6. ↑ Lodge, Oliver, Sir. Rummets æter . — New York: Harper and Brothers, 1909.
  7. ↑ Lämmerzahl, C. (2005). "Særlig relativitet og Lorentz-invarians". Annalen der Physik . 517 (1): 71-102. Bibcode : 2005AnP...517...71L . DOI : 10.1002/ogp.200410127 .
  8. ↑ 12 Robertson, HP (1949) . "Postulat versus observation i den særlige relativitetsteori". Anmeldelser af moderne 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 bind 33 (1): 1–17 , DOI 10.1119/1.1971219 
  10. ↑ Martínez, Alberto A. (2004), Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis , Physics in Perspective bind 6 (1): 4–28 , DOI 10.1007/s00016-003-0195-6 
  11. ↑ Philippas, T. A. (1964). "Gammastrålers hastighed fra en bevægende kilde". Fysisk gennemgang . 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 af det andet postulat af speciel relativitet i GeV-regionen , Physics Letters bind 12 (3): 260–262 , DOI 10.1016/0031-9163(64)91095- 9 
  13. ↑ Brecher, K. (1977). "Er lysets hastighed uafhængig af kildens hastighed." Fysiske anmeldelsesbreve . 39 (17): 1051-1054. Bibcode : 1977PhRvL..39.1051B . DOI : 10.1103/PhysRevLett.39.1051 .
  14. ↑ Fermi LAT Collaboration (2009). "En grænse for variationen af ​​lysets hastighed som følge af kvantetyngdekraftseffekter." natur . 462 (7271): 331-334. arXiv : 0908.1832 . Bibcode : 2009Natur.462..331A . DOI : 10.1038/nature08574 . PMID  19865083 .
 Eksperimentel verifikation af speciel relativitetsteori
Hastighed/Isotropi
Lorentz invarians
Tidsudvidelse
Lorentz kontraktion
Energi
Fizeau/Sagnac
Alternativer
Generel