Тесты специальной теории относительности

Специальная теория относительности — это физическая теория , которая играет фундаментальную роль в описании всех физических явлений, пока гравитация не играет существенной роли. Многие эксперименты сыграли (и играют) важную роль в ее разработке и обосновании. Сила теории заключается в ее уникальной способности правильно предсказывать с высокой точностью результаты чрезвычайно разнообразных экспериментов. Повторение многих из этих экспериментов до сих пор проводится с постоянно возрастающей точностью, причем современные эксперименты сосредоточены на таких эффектах, как планковский масштаб и нейтринный сектор. Их результаты согласуются с предсказаниями специальной теории относительности. Сборники различных тестов предоставил Якоб Лауб , Чжан, Маттингли, Клиффорд Уилл , и Робертс/Шляйф.

Специальная теория относительности ограничивается плоским пространством-временем , т.е. всеми явлениями без существенного влияния гравитации . Последнее лежит в области общей теории относительности соответствующие тесты общей теории относительности , и необходимо учитывать .

Эксперименты, прокладывающие путь к теории относительности

Преобладающей теорией света в XIX веке была теория светоносного эфира — стационарной среды, в которой свет распространяется аналогично тому, как звук распространяется в воздухе. По аналогии следует, что скорость света постоянна во всех направлениях в эфире и не зависит от скорости источника. Таким образом, наблюдатель, движущийся относительно эфира, должен измерять своего рода «эфирный ветер», точно так же, как наблюдатель, движущийся относительно воздуха, измеряет видимый ветер .

Эксперименты первого порядка

Основная статья: Светоносный эфир § Эксперименты первого порядка

Эксперимент Физо , 1851 г.

Начиная с работ Франсуа Араго (1810 г.), был проведен ряд оптических экспериментов, которые должны были дать положительный результат для величин первого порядка по $v/c$ (т.е. из $(v/c)^{1}$) и который, таким образом, должен был продемонстрировать относительное движение эфира. Однако результаты оказались отрицательными. Объяснение дал Огюстен Френель (1818) с введением вспомогательной гипотезы, так называемого «коэффициента увлечения», т. е. материя в малой степени увлекает эфир. Этот коэффициент был непосредственно продемонстрирован экспериментом Физо (1851 г.). Позже было показано, что из-за этого коэффициента все оптические эксперименты первого порядка должны давать отрицательный результат. Кроме того, было проведено несколько электростатических экспериментов первого порядка, которые снова дали отрицательные результаты. В общем, Хендрик Лоренц (1892, 1895) ввел несколько новых вспомогательных переменных для движущихся наблюдателей, продемонстрировав, почему все оптические и электростатические эксперименты первого порядка дали нулевые результаты. Например, Лоренц предложил переменную местоположения, с помощью которой электростатические поля сжимаются на линии движения, и другую переменную («местное время»), с помощью которой временные координаты движущихся наблюдателей зависят от их текущего местоположения.

Эксперименты второго порядка

Основная статья: Светоносный эфир § Эксперименты второго порядка

Интерферометр Майкельсона-Морли

Однако теория стационарного эфира дала бы положительные результаты, если бы эксперименты были достаточно точными для измерения величин второго порядка в $v/c$ (т.е. из $(v/c)^{2}$). Альберт А. Майкельсон провел первый эксперимент такого рода в 1881 году, за ним последовал более сложный эксперимент Майкельсона-Морли в 1887 году. Два луча света, движущиеся некоторое время в разных направлениях, интерферировали, так что разные ориентации относительно эфирный ветер должен приводить к смещению интерференционных полос . Но результат снова оказался отрицательным. Выходом из этой дилеммы стало предложение Джорджа Фрэнсиса Фитцджеральда (1889) и Лоренца (1892) о том, что материя сжимается по линии движения относительно эфира ( сжатие длины ). То есть старая гипотеза о сжатии электростатических полей была распространена на межмолекулярные силы. Однако, поскольку для этого не было никаких теоретических оснований, гипотеза о сокращении считалась специальной .

Помимо оптического эксперимента Майкельсона–Морли, был проведен также его электродинамический эквивалент — эксперимент Траутона–Нобла . Тем самым следует продемонстрировать, что движущийся конденсатор должен подвергаться воздействию крутящего момента . Кроме того, эксперименты Рэлея и Брейса были направлены на измерение некоторых последствий сокращения длины в лабораторных условиях, например, предположения о том, что это приведет к двойному лучепреломлению . Хотя все эти эксперименты привели к отрицательным результатам. ( Эксперимент Траутона-Рэнкина, проведенный в 1908 году, также дал отрицательный результат при измерении влияния сокращения длины на электромагнитную катушку .)

Для объяснения всех экспериментов, проведенных до 1904 года, Лоренц был вынужден вновь расширить свою теорию, введя полное преобразование Лоренца . Анри Пуанкаре заявил в 1905 году, что невозможность доказать абсолютное движение ( принцип относительности ), по-видимому, является законом природы.

Опровержения полного эфирного сопротивления

Основная статья: Гипотеза сопротивления эфира

Эфирная машина Лоджа. Стальные диски имели диаметр один ярд. Белый свет был разделен светоделителем и трижды прошел вокруг аппарата, прежде чем воссоединиться, образовав полосы.

Идея о том, что эфир может быть полностью затянут внутрь или вблизи Земли, что могло бы объяснить эксперименты с отрицательным дрейфом эфира, была опровергнута множеством экспериментов.

• Оливер Лодж (1893) обнаружил, что быстро вращающиеся стальные диски выше и ниже чувствительной интерферометрической системы общего пути не могут вызвать измеримого смещения полосы.
• Густаву Хаммару (1935) не удалось найти никаких доказательств увлечения эфира с помощью интерферометра общего пути, одно плечо которого было окружено толстостенной трубой, закупоренной свинцом, а другое плечо было свободно.
• Эффект Саньяка показал, что эфирный ветер, вызванный сопротивлением Земли, не может быть продемонстрирован.
• Существование аберрации света не согласовывалось с гипотезой сопротивления эфира.
• Предположение о том, что сопротивление эфира пропорционально массе и, следовательно, происходит только по отношению к Земле в целом, было опровергнуто экспериментом Майкельсона-Гейла-Пирсона , который продемонстрировал эффект Саньяка через движение Земли.

Лодж выразил парадоксальную ситуацию, в которой оказались физики, следующим образом: «...ни при какой практически осуществимой скорости... материя [имеет] сколько-нибудь заметное вязкое сцепление с эфиром. Атомы должны быть способны приводить его в вибрацию, если они колеблющиеся или вращающиеся с достаточной скоростью; в противном случае они не излучали бы свет или какое-либо излучение, но ни в коем случае не кажется, что они тянут его за собой или встречают сопротивление при любом равномерном движении через него».

Специальная теория относительности

Обзор

В конце концов Альберт Эйнштейн (1905) пришел к выводу, что устоявшиеся теории и известные на тот момент факты образуют логическую последовательную систему только тогда, когда понятия пространства и времени подвергаются фундаментальному пересмотру. Например:

• Электродинамика Максвелла-Лоренца (независимость скорости света от скорости источника),
• эксперименты по отрицательному дрейфу эфира (без предпочтительной системы отсчета),
• Проблема движущегося магнита и проводника (важно только относительное движение),
• эксперимент Физо и аберрация света (оба подразумевают измененное сложение скоростей и отсутствие полного сопротивления эфира).

Результатом стала специальная теория относительности, которая основана на постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета и принципе относительности . Здесь преобразование Лоренца больше не является просто набором вспомогательных гипотез, а отражает фундаментальную симметрию Лоренца и формирует основу успешных теорий, таких как квантовая электродинамика . Существует большое количество возможных проверок предсказаний и второго постулата:

Принцип относительности	Постоянство скорости света	Замедление времени
Любой равномерно движущийся наблюдатель в инерциальной системе отсчета не может определить свое «абсолютное» состояние движения с помощью сопутствующей экспериментальной установки.	Во всех инерциальных системах отсчета измеренная скорость света одинакова во всех направлениях ( изотропия ), не зависит от скорости источника и не может быть достигнута массивными телами.	Скорость часов C (= любого периодического процесса), движущихся между двумя синхронизированными часами A и B, покоящимися в инерциальной системе отсчета, замедляется по отношению к двум часам.
другие релятивистские эффекты, такие как сокращение длины , эффект Доплера , аберрация и экспериментальные предсказания релятивистских теорий, таких как Стандартная модель Также могут быть измерены .

Фундаментальные эксперименты

Эксперимент Кеннеди-Торндайка

Эффекты специальной теории относительности могут быть феноменологически выведены из следующих трех фундаментальных экспериментов:

• Эксперимент Майкельсона-Морли , с помощью которого можно проверить зависимость скорости света от направления измерительного прибора. Установлено соотношение между продольными и поперечными длинами движущихся тел.
• Эксперимент Кеннеди-Торндайка , с помощью которого можно проверить зависимость скорости света от скорости измерительного устройства. Установлена ​​связь между продольными длинами и продолжительностью времени движения тел.
• Эксперимент Айвза-Стилуэлла , с помощью которого замедление времени . можно напрямую проверить

Из этих трех экспериментов и с использованием синхронизации Пуанкаре- Эйнштейна следует полное преобразование Лоренца с ${\textstyle \gamma =1/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$ Лоренца фактор : $$x'=\gamma (x-vt),\ y'=y,\ z'=z,\ t'=\gamma \left(t-{\frac {vx}{c^{2}}}\right)$$

Помимо вывода преобразования Лоренца, важно также сочетание этих экспериментов, поскольку при индивидуальном рассмотрении их можно интерпретировать по-разному. Например, эксперименты по изотропии, такие как эксперименты Майкельсона-Морли, можно рассматривать как простое следствие принципа относительности, согласно которому любой движущийся по инерции наблюдатель может считать себя покоящимся. Следовательно, сам по себе эксперимент ММ совместим с теориями, инвариантными по Галилею, такими как теория эмиссии или гипотеза полного сопротивления эфира , которые также содержат своего рода принцип относительности. Однако, когда рассматриваются другие эксперименты, исключающие теории галилеевской инвариантности ( например, эксперимент Айвса-Стилуэлла, различные опровержения теорий эмиссии и опровержения полного увлечения эфира ), лоренц-инвариантные теории и, следовательно, специальная теория относительности остаются единственными теориями, которые остаются жизнеспособными. .

Постоянство скорости света

Интерферометры, резонаторы

Эксперимент Майкельсона-Морли с криогенными оптическими резонаторами такой формы, как тот, который использовался Мюллером и др. (2003), см. Недавние эксперименты с оптическим резонатором.

См. Также: Недавние эксперименты Майкельсона-Морли и недавние эксперименты Кеннеди-Торндайка.

Современные варианты экспериментов Майкельсона-Морли и Кеннеди-Торндайка были проведены с целью проверки изотропии скорости света. В отличие от Майкельсона-Морли, в экспериментах Кеннеди-Торндайка используются разные длины рук, а оценки длятся несколько месяцев. Таким образом, можно наблюдать влияние различных скоростей во время обращения Земли вокруг Солнца. Используются лазерный , мазерный и оптический резонаторы , снижающие возможность любой анизотропии скорости света до 10 раз. ⁻¹⁷ уровень. В дополнение к наземным испытаниям эксперименты по лунной лазерной локации как разновидность эксперимента Кеннеди-Торндайка. также проводились

Другой тип экспериментов по изотропии - это эксперименты с мессбауэровским ротором в 1960-х годах, с помощью которых анизотропию эффекта Доплера на вращающемся диске можно наблюдать с помощью эффекта Мессбауэра (эти эксперименты также можно использовать для измерения замедления времени, см. Ниже).

Отсутствие зависимости от скорости и энергии источника.

Эксперимент де Ситтера с двойной звездой , позже повторенный Брехером при рассмотрении теоремы об угасании.

Теории эмиссии , согласно которым скорость света зависит от скорости источника, предположительно могут объяснить отрицательный результат экспериментов по дрейфу эфира. Лишь в середине 1960-х годов постоянство скорости света было окончательно показано экспериментально, поскольку в 1965 году Дж. Фокс показал, что эффекты теоремы о затухании сделали результаты всех экспериментов, предшествующих этому времени, неубедительными, и, следовательно, совместим как со специальной теорией относительности, так и с теорией излучения. Более поздние эксперименты определенно исключили модель выбросов: самыми ранними были эксперименты Филиппаса и Фокса (1964), с использованием движущихся источников гамма-лучей и Alväger et al. (1964), который продемонстрировал, что фотоны не приобретают скорость быстро распадающихся мезонов, которые были их источником. Кроме того, эксперимент де Ситтера с двойной звездой (1913 г.) был повторен Брехером (1977 г.) с учетом теоремы о затухании, исключающей также зависимость от источника.

Наблюдения гамма-всплесков также показали, что скорость света не зависит от частоты и энергии световых лучей.

Односторонняя скорость света

Основная статья: Односторонняя скорость света

Была проведена серия односторонних измерений, все из которых подтвердили изотропность скорости света. Однако однозначно можно измерить только двустороннюю скорость света (от А к В обратно к А), поскольку односторонняя скорость зависит от определения одновременности и, следовательно, от метода синхронизации. Соглашение о синхронизации Эйнштейна делает одностороннюю скорость равной двусторонней скорости. Однако существует множество моделей, имеющих изотропную двустороннюю скорость света, в которых односторонняя скорость анизотропна за счет выбора различных схем синхронизации. Они экспериментально эквивалентны специальной теории относительности, поскольку все эти модели включают такие эффекты, как замедление времени движущихся часов, которые компенсируют любую измеримую анизотропию. Однако из всех моделей, имеющих изотропную двустороннюю скорость, только специальная теория относительности приемлема для подавляющего большинства физиков, поскольку все остальные синхронизации гораздо сложнее, а те другие модели (например, теория эфира Лоренца ) основаны на крайних и неправдоподобных предположениях. относительно некоторых динамических эффектов, направленных на сокрытие «предпочтительного кадра» от наблюдения.

Изотропия массы, энергии и пространства

⁷ Спектр ЯМР Li LiCl (1M) в D ₂ O. Резкая, нерасщепленная линия ЯМР этого изотопа лития свидетельствует об изотропии массы и пространства.

Смотрите также: эксперимент Хьюза – Древера

Эксперименты по сравнению часов (периодические процессы и частоты можно рассматривать как часы), такие как эксперименты Хьюза-Древера, обеспечивают строгие проверки лоренц-инвариантности . Они не ограничиваются фотонным сектором, как Майкельсон-Морли, но непосредственно определяют любую анизотропию массы, энергии или пространства, измеряя основное состояние ядер . Верхний предел такой анизотропии 10 ⁻³³ ГэВ были предоставлены . Таким образом, эти эксперименты являются одними из наиболее точных проверок лоренц-инвариантности, когда-либо проводившихся.

Замедление времени и сокращение длины

Эксперимент Айвса-Стилвелла (1938 г.).)

Основные статьи: эксперимент Айвса-Стилуэлла , экспериментальное тестирование замедления времени и подтверждения сокращения длины.

Поперечный эффект Доплера и, следовательно, замедление времени были впервые непосредственно обнаружены в эксперименте Айвса-Стилуэлла (1938). В современных экспериментах Айвса-Стилуэлла в накопителях тяжелых ионов с использованием спектроскопии насыщения максимальное измеренное отклонение замедления времени от релятивистского предсказания было ограничено до ≤ 10. ⁻⁸ . Другие подтверждения замедления времени включают эксперименты с мессбауэровским ротором , в которых гамма-лучи направлялись из середины вращающегося диска в приемник на краю диска, так что поперечный эффект Доплера можно оценить с помощью эффекта Мессбауэра . Путем измерения времени жизни мюонов в атмосфере и в ускорителях частиц было также проверено замедление времени движущихся частиц. С другой стороны, эксперимент Хафеле-Китинга подтвердил разрешение парадокса близнецов , т. е. то, что часы, движущиеся из A в B обратно в A, отстают по отношению к исходным часам. эффекты общей теории относительности Однако в этом эксперименте существенную роль играют и .

Прямого подтверждения сокращения длины на практике добиться трудно, поскольку размеры наблюдаемых частиц исчезающе малы. Однако есть косвенные подтверждения; например, поведение сталкивающихся тяжелых ионов можно объяснить, только если принять во внимание их повышенную плотность из-за лоренцевского сжатия. Сокращение также приводит к увеличению напряженности кулоновского поля, перпендикулярного направлению движения, эффекты которого уже наблюдались. Следовательно, при проведении экспериментов на ускорителях частиц необходимо учитывать как замедление времени, так и сокращение длины.

Релятивистский импульс и энергия

Экспериментальная установка Бухерера для измерения удельного заряда e/m β ⁻ электронов в зависимости от их скорости v/c . (Поперечное сечение оси круглого конденсатора с бета-источником в центре, под углом α относительно магнитного поля H)

Основные статьи: Тесты релятивистской энергии и импульса и эксперименты Кауфмана – Бухерера – Неймана.

Начиная с 1901 года была проведена серия измерений, направленная на демонстрацию скоростной зависимости массы электронов . Результаты действительно показали такую ​​зависимость, но точность, необходимая для различения конкурирующих теорий, долгое время оспаривалась. В конце концов удалось окончательно исключить все конкурирующие модели, кроме специальной теории относительности.

Сегодня предсказания специальной теории относительности регулярно подтверждаются в ускорителях частиц, таких как релятивистский коллайдер тяжелых ионов . Например, увеличение релятивистского импульса и энергии не только точно измеряется, но и необходимо для понимания поведения циклотронов , синхротронов и т. д., с помощью которых частицы ускоряются почти до скорости света.

Саньяк и Физо

Оригинальный интерферометр Саньяка

Основные статьи: Интерферометр Саньяка и эксперимент Физо

Специальная теория относительности также предсказывает, что двум световым лучам, движущимся в противоположных направлениях по вращающейся замкнутой траектории (например, петле), требуется разное время полета, чтобы вернуться к движущемуся излучателю/приемнику (это следствие независимости скорости света от скорость источника, см. выше). Этот эффект действительно наблюдался и называется эффектом Саньяка . В настоящее время учет этого эффекта необходим для многих экспериментальных установок и для корректного функционирования GPS .

Если такие эксперименты проводятся в движущихся средах (например, воде или стеклянном оптическом волокне ), необходимо также учитывать коэффициент сопротивления Френеля, продемонстрированный экспериментом Физо . Хотя этот эффект изначально понимался как свидетельство почти стационарного эфира или частичного сопротивления эфира, его можно легко объяснить с помощью специальной теории относительности, используя закон скоростной композиции .

Тестовые теории

Основная статья: Проверка теории специальной теории относительности

Было разработано несколько тестовых теорий для оценки возможного положительного результата в экспериментах с нарушением Лоренца путем добавления определенных параметров к стандартным уравнениям. К ним относятся структура Робертсона-Мансури-Сексла (RMS) и расширение стандартной модели (SME). RMS имеет три проверяемых параметра: сокращение длины и замедление времени. Отсюда можно оценить любую анизотропию скорости света. С другой стороны, SME включает в себя множество параметров нарушения Лоренца не только для специальной теории относительности, но для Стандартной модели и Общей теории относительности также ; таким образом, он имеет гораздо большее количество проверяемых параметров.

Другие современные тесты

Основная статья: Современные поиски нарушения Лоренца

В связи с развитием в последние годы различных моделей квантовой гравитации отклонения лоренц-инвариантности (возможно, вытекающие из этих моделей) снова стали целью экспериментаторов. Поскольку «локальная лоренц-инвариантность» (ЛЛИ) справедлива и в свободно падающих системах отсчета, эксперименты, касающиеся слабого принципа эквивалентности , также относятся к этому классу тестов. Результаты анализируются с помощью тестовых теорий (как упоминалось выше), таких как RMS или, что более важно, SME.

• Помимо упомянутых вариаций экспериментов Майкельсона-Морли и Кеннеди-Торндайка, эксперименты Хьюза-Древера продолжают проводиться для испытаний изотропии в протонном и нейтронном секторе. Для обнаружения возможных отклонений в электронном секторе спин-поляризованные торсионные весы . используются
• Замедление времени подтверждается в тяжелых ионов накопителях , таких как TSR в MPIK , наблюдением эффекта Доплера лития , и эти эксперименты действительны в секторе электронов, протонов и фотонов.
• используются В других экспериментах ловушки Пеннинга для наблюдения отклонений циклотронного движения и ларморовской прецессии в электростатических и магнитных полях.
• Возможные отклонения от симметрии CPT (нарушение которой также представляет собой нарушение лоренц-инвариантности) могут быть определены в экспериментах с нейтральными мезонами , ловушками Пеннинга и мюонами , см. Тесты на нарушение Лоренца антиматерией .
• Астрономические испытания проводятся в связи с временем полета фотонов, где факторы, нарушающие Лоренца, могут вызвать аномальную дисперсию и двойное лучепреломление, приводящее к зависимости фотонов от энергии , частоты или поляризации .
• Что касается пороговой энергии далеких астрономических объектов, а также земных источников, нарушения Лоренца могут привести к изменениям стандартных значений для процессов, следующих из этой энергии, таких как вакуумное черенковское излучение или модификации синхротронного излучения .
• Осцилляции нейтрино (см. Осцилляции нейтрино, нарушающие Лоренц ) и скорость нейтрино (см. Измерения скорости нейтрино ) исследуются на предмет возможных нарушений Лоренца.
• Другими кандидатами для астрономических наблюдений являются предел Грейзена–Зацепина–Кузьмина и диски Эйри . Последнее исследуется, чтобы найти возможные отклонения лоренц-инвариантности, которые могут вывести фотоны из фазы.
• Наблюдения в секторе Хиггса продолжаются.

См. также

• Тесты общей теории относительности
• История специальной теории относительности
• Проверка теории специальной теории относительности