Эксперимент Хьюза – Древера

Эксперименты Хьюза-Древера (также по сравнению часов , часов , изотропии массы или эксперименты изотропии энергии ) представляют собой спектроскопические тесты изотропии массы анизотропии и пространства . Хотя первоначально они были задуманы как проверка принципа Маха , теперь они считаются важной проверкой лоренц-инвариантности . Как и в экспериментах Майкельсона-Морли , можно проверить существование предпочтительной системы отсчета или других отклонений от лоренц-инвариантности, что также влияет на справедливость принципа эквивалентности . Таким образом, эти эксперименты затрагивают фундаментальные аспекты как специальной , так и общей теории относительности . В отличие от экспериментов типа Майкельсона-Морли, эксперименты Хьюза-Древера проверяют изотропность взаимодействий самой материи, то есть протонов , нейтронов и электронов . Достигнутая точность делает эксперименты такого рода одним из самых точных подтверждений теории относительности (см. также « Проверки специальной теории относительности »). [ А 1 ] [ А 2 ] [ А 3 ] [ А 4 ] [ А 5 ] [ А 6 ]
Эксперименты Хьюза и Древера
[ редактировать ]Джузеппе Коккони и Эдвин Эрнест Солпитер (1958) выдвинули теорию, что инерция зависит от окружающих масс в соответствии с принципом Маха . Неравномерное распределение материи при этом привело бы к анизотропии инерции в разных направлениях. Эвристические аргументы привели их к убеждению, что любая инерционная анизотропия, если бы она существовала, определялась бы массовыми вкладами из центра нашей галактики Млечный Путь . Они утверждали, что эту анизотропию можно наблюдать двумя способами: измерением зеемановского расщепления в атоме. [ 1 ] или измерение зеемановского расщепления в возбужденном ядерном состоянии 57
Фе
используя эффект Мёссбауэра . [ 2 ]
Вернон В. Хьюз и др. (1960) [ 3 ] и Рональд Древер (1961) [ 4 ] независимо провели аналогичные спектроскопические эксперименты для проверки принципа Маха. Однако они не использовали эффект Мёссбауэра, а провели магнитно-резонансные измерения ядра лития - 7 , состояние которого имеет спин основное 3 ⁄ 2 . Основное состояние разделяется на четыре равноотстоящих друг от друга уровня магнитной энергии при измерении в магнитном поле в соответствии с его разрешенным магнитным квантовым числом . Ядерные волновые функции для разных энергетических уровней имеют разное пространственное распределение относительно магнитного поля и, следовательно, имеют разные направленные свойства. Если массовая изотропия соблюдена, каждый переход между парой соседних уровней должен испускать фотон равной частоты, что приводит к образованию одной четкой спектральной линии. С другой стороны, если инерция имеет направленную зависимость, должна наблюдаться тройная или уширенная резонансная линия. В течение 24 часов эксперимента по версии Древера Земля вращалась, и ось магнитного поля охватывала разные участки неба. Особое внимание Древер уделил поведению спектральной линии, когда магнитное поле пересекало центр галактики. [ А 7 ] Ни Хьюз, ни Древер не наблюдали какого-либо частотного сдвига энергетических уровней, а благодаря высокой точности их экспериментов максимальную анизотропию удалось ограничить до 0,04 Гц = 10. −25 ГэВ .
(1961) показал Что касается последствий нулевого результата для принципа Маха, Роберт Х. Дике , что он согласуется с этим принципом, пока пространственная анизотропия одинакова для всех частиц. Таким образом, нулевой результат скорее показывает, что эффекты инерционной анизотропии, если они существуют, универсальны для всех частиц и локально ненаблюдаемы. [ 5 ] [ 6 ]
Современная интерпретация
[ редактировать ]Хотя мотивацией этого эксперимента была проверка принципа Маха, с тех пор он стал признан важным тестом лоренц-инвариантности и, следовательно, специальной теории относительности . Это связано с тем, что эффекты анизотропии также возникают при наличии предпочтительной и нарушающей Лоренц системы отсчета, обычно идентифицируемой с системой покоя CMBR как своего рода светоносный эфир (относительная скорость около 368 км/с). Поэтому отрицательные результаты экспериментов Хьюза-Древера (как и экспериментов Майкельсона-Морли ) исключают существование такой системы отсчета. В частности, тесты Хьюза-Древера на нарушения Лоренца часто описываются тестовой теорией специальной теории относительности, выдвинутой Клиффордом Уиллом . Согласно этой модели, нарушения Лоренца при наличии выделенных систем отсчета могут привести к различиям между максимально достижимой скоростью массивных частиц и скоростью света. Если бы они были другими, то изменились бы и свойства и частоты взаимодействий материи. Кроме того, это является фундаментальным следствием принцип эквивалентности теории общей относительности , согласно которому лоренц-инвариантность локально соблюдается в свободно движущихся системах отсчета = локальная лоренц-инвариантность (LLI). Это означает, что результаты этого эксперимента касаются как специальной, так и общей теории относительности. [ А 1 ] [ А 2 ]
В связи с тем, что сравниваются разные частоты («часы»), эти эксперименты также называются экспериментами по сравнению часов. [ А 3 ] [ А 4 ]
Недавние эксперименты
[ редактировать ]Помимо нарушений Лоренца из-за выделенной системы отсчета или влияний, основанных на принципе Маха, также ведется поиск спонтанных нарушений лоренц-инвариантности и симметрии CPT , мотивированных предсказаниями различных моделей квантовой гравитации , которые предполагают их существование. Современные обновления экспериментов Хьюза-Древера были проведены для изучения возможных нарушений Лоренца и CPT в нейтронах и протонах . С использованием спин-поляризованных систем и комагнитометров (для подавления магнитных влияний) точность и чувствительность этих экспериментов значительно возросли. Кроме того, с помощью спин-поляризованных весов . торсионных также был протестирован электронный сектор [ А 5 ] [ А 6 ]
Все эти эксперименты до сих пор дали отрицательные результаты, поэтому до сих пор нет никаких признаков существования выделенной системы отсчета или какой-либо другой формы нарушения Лоренца. Значения в следующей таблице связаны с коэффициентами, заданными Расширением стандартной модели (SME), часто используемой эффективной теорией поля для оценки возможных нарушений Лоренца (см. Также другие тестовые теории специальной теории относительности ). Отсюда любое отклонение лоренц-инвариантности можно связать с конкретными коэффициентами. Поскольку в этих экспериментах проверяется ряд коэффициентов, приводится только значение максимальной чувствительности (точные данные см. в отдельных статьях): [ А 3 ] [ А 8 ] [ А 4 ]
Автор | Год | Ограничения МСП | Описание | ||
---|---|---|---|---|---|
Протон | Нейтрон | Электрон | |||
Престейдж и др. [ 7 ] | 1985 | 10 −27 | Сравнивая ядерный спин-флип переход 9 Быть + (хранится в ловушке Пеннинга ) с водородным мазерным переходом. | ||
Филлипс [ 8 ] | 1987 | 10 −27 | Синусоидальные колебания исследовались с помощью криогенного спинторсионного маятника, несущего поперечно поляризованный магнит. | ||
Ламоро и др. [ 9 ] | 1989 | 10 −29 | Они индуцировали дипольную и квадрупольную спиновую поляризацию паре в 201 ртуть , по которому можно наблюдать квадрупольные сдвиги энергии. | ||
Чупп и др. [ 10 ] | 1989 | 10 −27 | Исследовано зависящее от времени квадрупольное расщепление зеемановских уровней. 21 Ne и 3 Он газы поляризуются путем спинового обмена и сравниваются. | ||
Вайнленд и др. [ 11 ] | 1991 | 10 −25 | Аномальные диполь-монопольные и диполь-дипольные связи исследуются путем изучения сверхтонких резонансов в 9 Быть + . | ||
Ван и др. [ 12 ] | 1993 | 10 −27 | Спин-торсионный маятник, несущий спин-поляризованную массу Dy – Fe, исследован на предмет сидерических вариаций. | ||
Берглунд и др. [ 13 ] | 1995 | 10 −27 | 10 −30 | 10 −27 | Частоты 199 ртуть и 133 Cs сравниваются путем приложения магнитного поля. |
Медведь и др. [ 14 ] | 2000 | 10 −31 | Частоты 129 Машина и 3 Он Сравниваются зеемановские мазеры. | ||
Филлипс и др. [ 15 ] | 2000 | 10 −27 | Зеемановская частота измеряется с помощью водородных мазеров . | ||
Хамфри и др. [ 16 ] | 2003 | 10 −27 | 10 −27 | Подобно Филлипсу и др. (2000). | |
Хоу и др. [ 17 ] | 2003 | 10 −29 | Подобно Вангу и др. (1993). | ||
Кане и др. [ 18 ] | 2004 | 10 −32 | Подобно Bear et al. (2000). | ||
Вольф и др. [ 19 ] | 2006 | 10 −25 | Атомные частоты измеряются с помощью лазерного охлаждения. 133 Cs атомные фонтаны . | ||
Хекель и др. [ 20 ] | 2006 | 10 −30 | Они использовали спин-торсионный маятник с четырьмя секциями из Alnico и четырьмя секциями из Sm 5 Co . | ||
Хекель и др. [ 21 ] | 2008 | 10 −31 | Подобно Heckel et al. (2006). | ||
Алтарев и др. [ 22 ] | 2009 | 10 −29 | Частоты спин-прецессии в запасенных ультрахолодных нейтронах и 199 ртуть анализируются. | ||
Браун и др. [ 23 ] | 2010 | 10 −32 | 10 −33 | Сравнивая частоты в K / 3 Он комагнетометр. | |
Геммель и др. [ 24 ] | 2010 | 10 −32 | Сравнивая частоты в 129 Машина / 3 Он комагнетометр. | ||
Смициклас и др. [ 25 ] | 2011 | 10 −29 | Сравнивая частоты в 21 Ne / Rb / K комагнетометр. Тест максимально достижимой скорости нейтронов. | ||
Пек и др. [ 26 ] | 2012 | 10 −30 | 10 −31 | Подобно Берглунду и др. (1995). | |
Хоэнзее и др. [ 27 ] | 2013 | 10 −17 | Измерение частот перехода двух почти вырожденных состояний 164 Те и 162 Те . Тест максимально достижимой скорости электронов. | ||
Аллмендингер и др. [ 28 ] | 2013 | 10 −34 | Подобно Gemmel et al. (2010). |
Вторичные источники
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Уилл, СМ (2006). «Противостояние общей теории относительности и эксперимента» . Живые обзоры в теории относительности . 9 (3): 3. arXiv : gr-qc/0510072 . Бибкод : 2006LRR.....9....3W . дои : 10.12942/lrr-2006-3 . ПМК 5256066 . ПМИД 28179873 .
- ^ Перейти обратно: а б Уилл, СМ (1995). «Стабильные часы и общая теория относительности». Протоколы 30-го собрания Морионда : 417. arXiv : gr-qc/9504017 . Бибкод : 1995dmcc.conf..417W .
- ^ Перейти обратно: а б с Костелецкий, В. Алан; Лейн, Чарльз Д. (1999). «Ограничения на нарушение Лоренца из экспериментов по сравнению часов». Физический обзор D . 60 (11): 116010. arXiv : hep-ph/9908504 . Бибкод : 1999PhRvD..60k6010K . дои : 10.1103/PhysRevD.60.116010 . S2CID 119039071 .
- ^ Перейти обратно: а б с Маттингли, Дэвид (2005). «Современные тесты лоренц-инвариантности» . Живой преподобный Относительный . 8 (5): 5. arXiv : gr-qc/0502097 . Бибкод : 2005LRR.....8....5M . дои : 10.12942/lrr-2005-5 . ПМК 5253993 . ПМИД 28163649 .
- ^ Перейти обратно: а б Поспелов, Максим; Ромалис, Майкл (2004). «Лоренц-инвариантность на испытании» (PDF) . Физика сегодня . 57 (7): 40–46. Бибкод : 2004ФТ....57г..40П . дои : 10.1063/1.1784301 . Архивировано из оригинала (PDF) 02 января 2022 г. Проверено 26 мая 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б Уолсворт, РЛ (2006). «Испытания лоренц-симметрии в секторе спиновой связи» (PDF) . Специальная теория относительности . Конспект лекций по физике. Том. 702. С. 493–505. дои : 10.1007/3-540-34523-X_18 . ISBN 978-3-540-34522-0 .
- ^ Бартусяк, Марсия (2003). Неоконченная симфония Эйнштейна: слушая звуки пространства-времени . Джозеф Генри Пресс. стр. 96–97. ISBN 0425186202 . Проверено 15 июля 2012 г.
«Я наблюдал за этой линией в течение 24 часов, пока Земля вращалась. Когда ось поля прошла мимо центра галактики и в других направлениях, я стал искать перемен», — вспоминает Древер.
- ^ Хоу, Ли-Шинг; Ни, Вэй-Тоу; Ли, Ю-Чу М. (2003). «Испытание космической пространственной изотропии поляризованных электронов с использованием вращающихся торсионных весов». Письма о физических отзывах . 90 (20): 201101. arXiv : Physics/0009012 . Бибкод : 2003PhRvL..90t1101H . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.201101 . ПМИД 12785879 . S2CID 28211115 .
Первоисточники
[ редактировать ]- ^ Коккони, Г.; Солпитер Э. (1958). «Поиски анизотропии инерции». Иль Нуово Чименто . 10 (4): 646–651. Бибкод : 1958NCim...10..646C . дои : 10.1007/BF02859800 . S2CID 123226805 .
- ^ Коккони, Г.; Солпитер Э. (1960). «Верхний предел анизотропии инерции из-за эффекта Мессбауэра». Письма о физических отзывах . 4 (4): 176–177. Бибкод : 1960PhRvL...4..176C . дои : 10.1103/PhysRevLett.4.176 .
- ^ Хьюз, Фольксваген; Робинсон, ХГ; Бельтран-Лопес, В. (1960). «Верхний предел анизотропии инертной массы по результатам экспериментов по ядерному резонансу». Письма о физических отзывах . 4 (7): 342–344. Бибкод : 1960PhRvL...4..342H . дои : 10.1103/PhysRevLett.4.342 .
- ^ Древер, РВП (1961). «Поиск анизотропии инертной массы с использованием метода свободной прецессии». Философский журнал . 6 (65): 683–687. Бибкод : 1961PMag....6..683D . дои : 10.1080/14786436108244418 .
- ^ Дике, Р.Х. (1961). «Экспериментальная проверка принципа Маха». Письма о физических отзывах . 7 (9): 359–360. Бибкод : 1961PhRvL...7..359D . дои : 10.1103/PhysRevLett.7.359 .
- ^ Дике, Р.Х. (1964). Теоретическое значение экспериментальной теории относительности . Гордон и Брич.
- ^ Престейдж, Джей Ди; Боллинджер, Джей-Джей; Итано, ВМ; Вайнленд, диджей (1985). «Пределы пространственной анизотропии при использовании поляризованных по ядерному спину ионов Be-9 (+)». Письма о физических отзывах . 54 (22): 2387–2390. Бибкод : 1985PhRvL..54.2387P . doi : 10.1103/PhysRevLett.54.2387 . ПМИД 10031329 .
- ^ Филлипс, PR (1987). «Испытание пространственной изотропии с использованием криогенного спин-торсионного маятника». Письма о физических отзывах . 59 (5): 1784–1787. Бибкод : 1987PhRvL..59.1784P . doi : 10.1103/PhysRevLett.59.1784 . ПМИД 10035328 .
- ^ Ламоро, СК; Джейкобс, JP; Хекель, БР; Рааб, Ф.Дж.; Фортсон, EN (1989). «Техника оптической накачки для измерения малых ядерных квадрупольных сдвигов в атомах 1S (0) и проверки пространственной изотропии». Физический обзор А. 39 (3): 1082–1111. Бибкод : 1989PhRvA..39.1082L . дои : 10.1103/PhysRevA.39.1082 . ПМИД 9901347 .
- ^ Чупп, Т.Э.; Хоар, Р.Дж.; Лавман, РА; Отейза, скорая помощь; Ричардсон, Дж. М.; Вагшул, Мэн; Томпсон, АК (1989). «Результаты нового теста локальной лоренц-инвариантности: поиск массовой анизотропии в 21Ne». Письма о физических отзывах . 63 (15): 1541–1545. Бибкод : 1989PhRvL..63.1541C . дои : 10.1103/PhysRevLett.63.1541 . ПМИД 10040606 .
- ^ Вайнленд, диджей; Боллинджер, Джей-Джей; Хейнцен, диджей; Итано, ВМ; Райзен, МГ (1991). «Поиск аномальных спин-зависимых сил с помощью спектроскопии запасенных ионов». Письма о физических отзывах . 67 (13): 1735–1738. Бибкод : 1991PhRvL..67.1735W . doi : 10.1103/PhysRevLett.67.1735 . ПМИД 10044234 .
- ^ Ван, Ши-Лян; Ни, Вэй-Тоу; Пан, Шеау-Ши (1993). «Новый экспериментальный предел пространственной анизотропии поляризованных электронов». Буквы по современной физике А. 8 (39): 3715–3725. Бибкод : 1993MPLA....8.3715W . дои : 10.1142/S0217732393003445 .
- ^ Берглунд, CJ; Хантер, ЛР; Краузе, Д. младший; Пригге, Э.О.; Ронфельдт, MS; Ламоро, СК (1995). «Новые ограничения на локальную лоренц-инвариантность от магнитометров Hg и Cs». Письма о физических отзывах . 75 (10): 1879–1882. Бибкод : 1995PhRvL..75.1879B . doi : 10.1103/PhysRevLett.75.1879 . ПМИД 10059152 .
- ^ Борода.; Стоунер, Р.Э.; Уолсворт, Род-Айленд; Костелецкий, В. Алан; Лейн, Чарльз Д. (2000). «Ограничение на нарушение Лоренца и CPT нейтрона с использованием двухкомпонентного мазера благородного газа». Письма о физических отзывах . 85 (24): 5038–5041. arXiv : физика/0007049 . Бибкод : 2000PhRvL..85.5038B . doi : 10.1103/PhysRevLett.85.5038 . ПМИД 11102181 . S2CID 41363493 .
- ^ Филлипс, DF; Хамфри, Массачусетс; Мэттисон, EM; Стоунер, Р.Э.; Вессот, РФ; Уолсворт, РЛ (2001). «Ограничение на нарушение Лоренца и CPT протона с использованием водородного мазера». Физический обзор D . 63 (11): 111101. arXiv : Physics/0008230 . Бибкод : 2001PhRvD..63k1101P . дои : 10.1103/PhysRevD.63.111101 . S2CID 10665017 .
- ^ Хамфри, Массачусетс; Филлипс, DF; Мэттисон, EM; Вессот, РФ; Стоунер, Р.Э.; Уолсворт, РЛ (2003). «Проверка симметрии CPT и Лоренца с помощью водородных мазеров». Физический обзор А. 68 (6): 063807. arXiv : физика/0103068 . Бибкод : 2003PhRvA..68f3807H . дои : 10.1103/PhysRevA.68.063807 . S2CID 13659676 .
- ^ Хоу, Ли-Шинг; Ни, Вэй-Тоу; Ли, Ю-Чу М. (2003). «Испытание космической пространственной изотропии поляризованных электронов с использованием вращающихся торсионных весов». Письма о физических отзывах . 90 (20): 201101. arXiv : Physics/0009012 . Бибкод : 2003PhRvL..90t1101H . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.201101 . ПМИД 12785879 . S2CID 28211115 .
- ^ Кане, Ф.; Борода.; Филлипс, DF; Розен, М.С.; Смоллвуд, CL; Стоунер, Р.Э.; Уолсворт, Род-Айленд; Костелецкий, В. Алан (2004). «Связь с эффектами усиления, нарушающими Лоренца и CPT для нейтрона». Письма о физических отзывах . 93 (23): 230801. arXiv : физика/0309070 . Бибкод : 2004PhRvL..93w0801C . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.230801 . ПМИД 15601138 . S2CID 20974775 .
- ^ Вольф, П.; Шапеле, Ф.; Бизе, С.; Клерон, А. (2006). «Тест Лоренц-инвариантности часов холодного атома в секторе материи». Письма о физических отзывах . 96 (6): 060801. arXiv : hep-ph/0601024 . Бибкод : 2006PhRvL..96f0801W . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.060801 . ПМИД 16605978 . S2CID 141060 .
- ^ Хекель, БР; Крамер, CE; Кук, Т.С.; Адельбергер, Э.Г.; Шламмингер, С.; Шмидт, У. (2006). «Новые CP-нарушения и тесты предпочтительной системы координат с поляризованными электронами». Письма о физических отзывах . 97 (2): 021603. arXiv : hep-ph/0606218 . Бибкод : 2006PhRvL..97b1603H . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.021603 . ПМИД 16907432 . S2CID 27027816 .
- ^ Хекель, БР; Адельбергер, Э.Г.; Крамер, CE; Кук, Т.С.; Шламмингер, С.; Шмидт, У. (2008). «Тесты на предпочтительную систему отсчета и CP-нарушение с поляризованными электронами». Физический обзор D . 78 (9): 092006. arXiv : 0808.2673 . Бибкод : 2008PhRvD..78i2006H . doi : 10.1103/PhysRevD.78.092006 . S2CID 119259958 .
- ^ Алтарев И.; и др. (2009). «Тест лоренц-инвариантности с прецессией спина ультрахолодных нейтронов». Письма о физических отзывах . 103 (8): 081602. arXiv : 0905.3221 . Бибкод : 2009PhRvL.103h1602A . doi : 10.1103/PhysRevLett.103.081602 . ПМИД 19792714 . S2CID 5224718 .
- ^ Браун, Дж. М.; Смуллин, С.Дж.; Корнак, ТВ; Ромалис, М.В. (2010). «Новый предел на лоренц- и CPT-нарушающие нейтронные спиновые взаимодействия». Письма о физических отзывах . 105 (15): 151604. arXiv : 1006.5425 . Бибкод : 2010PhRvL.105o1604B . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.151604 . ПМИД 21230893 . S2CID 4187692 .
- ^ Геммель, К.; Хайль, В.; Карпук, С.; Ленц, К.; Соболев Ю.; Таллни, К.; Бургхофф, М.; Килиан, В.; Кнаппе-Грюнеберг, С.; Мюллер, В.; Шнабель, А.; Зейферт, Ф.; Трамс, Л.; Шмидт, У. (2010). «Ограничение на нарушение Лоренца и CPT связанного нейтрона с использованием комагнетометра свободной прецессии He3 / Xe129». Физический обзор D . 82 (11): 111901. arXiv : 1011.2143 . Бибкод : 2010PhRvD..82k1901G . дои : 10.1103/PhysRevD.82.111901 . S2CID 118438569 .
- ^ М. Смициклас; и др. (2011). «Новый тест локальной лоренц-инвариантности с использованием комагнетометра 21Ne-Rb-K». Письма о физических отзывах . 107 (17): 171604. arXiv : 1106.0738 . Бибкод : 2011PhRvL.107q1604S . doi : 10.1103/PhysRevLett.107.171604 . ПМИД 22107506 . S2CID 17459575 .
- ^ Пек, СК; и др. (2012). «Новые ограничения на локальную лоренц-инвариантность в Меркурии и Цезии». Физический обзор А. 86 (1): 012109. arXiv : 1205.5022 . Бибкод : 2012PhRvA..86a2109P . дои : 10.1103/PhysRevA.86.012109 . S2CID 118619087 .
- ^ Хоэнзее, Массачусетс; и др. (2013). «Пределы нарушений симметрии Лоренца и принципа эквивалентности Эйнштейна с использованием радиочастотной спектроскопии атомарного диспрозия». Письма о физических отзывах . 111 (5): 050401. arXiv : 1303.2747 . Бибкод : 2013PhRvL.111e0401H . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.050401 . ПМИД 23952369 . S2CID 27090952 .
- ^ Аллмендингер, Ф.; и др. (2014). «Новый предел Лоренца и CPT, нарушающих спиновые взаимодействия нейтронов, с использованием комагнитометра свободной прецессии 3He-129Xe». Письма о физических отзывах . 112 (11): 110801. arXiv : 1312.3225 . Бибкод : 2014PhRvL.112k0801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.110801 . ПМИД 24702343 . S2CID 8122573 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Т. Робертс (2007) и С. Шляйф, Часто задаваемые вопросы по теории относительности, Какова экспериментальная основа специальной теории относительности?