Эксперимент Хафеле-Китинга
Эксперимент Хафеле -Китинга был проверкой теории относительности . В 1971 году [ 1 ] Джозеф К. Хафеле , физик, и Ричард Э. Китинг , астроном, взяли четыре с цезиевым пучком атомных часа на борт коммерческих авиалайнеров. Они дважды облетели земной шар, сначала на восток, затем на запад, и сравнили движущиеся часы со стационарными часами в Военно-морской обсерватории США . При воссоединении три набора часов оказались несогласными друг с другом, и их различия соответствовали предсказаниям специальной и общей теории относительности .
Обзор
[ редактировать ]Кинематическое замедление времени
[ редактировать ]Согласно специальной теории относительности , скорость часов наибольшая по мнению наблюдателя, который покоится относительно часов. В системе отсчета, в которой часы не покоятся, часы идут медленнее, что выражается фактором Лоренца . Этот эффект, называемый замедлением времени , был подтвержден во многих тестах специальной теории относительности , таких как эксперимент Айвза-Стилуэлла и других . [ 2 ] Рассматривая эксперимент Хафеле-Китинга в системе отсчета, покоящейся относительно центра Земли (поскольку это инерциальная система отсчета [ 3 ] ), часы на борту самолета, движущегося на восток, в направлении вращения Земли, имели большую скорость (что приводило к относительной потере времени), чем те, которые оставались на земле, тогда как часы на борту самолета, движущиеся на запад, против вращения Земли вращение, имело меньшую скорость, чем на земле. [ 4 ]
Гравитационное замедление времени
[ редактировать ]Общая теория относительности предсказывает дополнительный эффект, заключающийся в том, что увеличение гравитационного потенциала с высотой ускоряет ход часов. То есть часы на большей высоте тикают быстрее, чем часы на поверхности Земли. Этот эффект был подтвержден во многих тестах общей теории относительности , таких как эксперимент Паунда-Ребки и гравитационный зонд A. В эксперименте Хафеле-Китинга наблюдалось небольшое увеличение гравитационного потенциала из-за высоты, что имело тенденцию ускорять ход часов. Поскольку самолет летел примерно на одинаковой высоте в обоих направлениях, этот эффект был примерно одинаковым для обоих самолетов, но, тем не менее, он вызывал разницу по сравнению с часами на земле. [ 4 ]
Результаты
[ редактировать ]Результаты были опубликованы в журнале Science в 1972 году: [ 5 ] [ 6 ]
| наносекунды выиграны, предсказано | наносекунды получил, измеренный |
разница | |||
|---|---|---|---|---|---|
| гравитационный | кинематический | общий | |||
| на восток | +144 ±14 | −184 ±18 | −40 ±23 | −59 ±10 | 0,76 р |
| на запад | +179 ±18 | +96 ±10 | +275 ±21 | +273 ±7 | 0,09 р |
Опубликованные результаты эксперимента соответствовали как специальной, так и общей теории относительности. Наблюдаемые выигрыши и потери времени согласовывались с релятивистскими предсказаниями с точностью ~ 10%, ожидаемой от эксперимента. [ 7 ]
Историческая и научная справка
[ редактировать ]В своей оригинальной статье по специальной теории относительности 1905 года [ 8 ] Альберт Эйнштейн предложил возможную проверку теории: «Отсюда мы заключаем, что пружинные часы на экваторе должны идти медленнее и на очень небольшую величину, чем точно такие же часы, расположенные на одном из полюсов при идентичных условиях». Действительно, сейчас известно, что все часы, расположенные на уровне моря на поверхности Земли, ходят с одинаковой скоростью, независимо от широты, поскольку кинематический и гравитационный эффекты замедления времени компенсируются (при условии, что поверхность Земли эквипотенциальна ) . [ 9 ] [ 10 ] Кинематический эффект был подтвержден в эксперименте Айвса-Стилуэлла 1938 года и в эксперименте Росси-Холла 1940 года . Предсказание общей теории относительности о гравитационном эффекте было подтверждено в 1959 году Паундом и Ребкой . Однако в этих экспериментах использовались субатомные частицы, и поэтому они были менее прямыми, чем измерения с использованием реальных часов, первоначально задуманные Эйнштейном. [ нужна ссылка ]
Хафеле, доцент кафедры физики Вашингтонского университета в Сент-Луисе , готовил конспекты к лекции по физике, когда он провел приблизительные расчеты, показавшие, что атомные часы на борту коммерческого авиалайнера должны иметь достаточную точность, чтобы обнаружить предсказал релятивистские эффекты. [ 11 ] Он провел год в безуспешных попытках получить финансирование для такого эксперимента, пока после выступления на эту тему к нему не обратился Китинг, астроном Военно-морской обсерватории США , работавший с атомными часами. [ 11 ]
Хафеле и Китинг получили финансирование в размере 8000 долларов от Управления военно-морских исследований. [ 12 ] за один из самых недорогих тестов общей теории относительности, когда-либо проводившихся. Из этой суммы 7600 долларов было потрачено на восемь билетов на кругосветное путешествие. [ 13 ] включая два места на каждом рейсе для «Мистера Часы». Они облетели вокруг света на восток, неделю вели часы бок о бок, а затем полетели на запад. Экипаж каждого полета помогал, предоставляя навигационные данные, необходимые для сравнения с теорией. Помимо научных работ, опубликованных в журнале Science , [ 5 ] [ 6 ] было несколько отчетов, опубликованных в популярной прессе и других изданиях. [ 11 ] [ 14 ] [ 15 ]
Повторения
[ редактировать ]Более сложный и точный эксперимент такого рода был проведен исследовательской группой из Университета Мэриленда в период с сентября 1975 по январь 1976 года. Три атомных часа были доставлены на высоту 10 км над Чесапикским заливом в Мэриленде, а еще три атомных часа были подняты на высоту 10 км над Чесапикским заливом в Мэриленде. на земле. ч . Чтобы минимизировать влияние скорости, использовался турбовинтовой самолет, летевший со скоростью всего 500 км/ За самолетом постоянно наблюдали с помощью радара, а его положение и скорость измерялись каждую секунду. Было выполнено пять полетов, продолжительностью каждый по 15 часов. Специальные контейнеры защищали часы от внешних воздействий, таких как вибрация, магнитные поля или колебания температуры. Разница во времени измерялась путем прямого сравнения часов на земле до и после полета, а также во время полета лазерными импульсами длительностью 0,1 нс. Эти сигналы были отправлены в самолет, отражены и снова приняты на наземной станции. Разница во времени была заметна во время полета до последующего анализа. Была измерена общая разница в 47,1 нс, которая состояла из эффекта скорости -5,7 нс и гравитационного эффекта 52,8 нс. Это согласуется с релятивистскими предсказаниями с точностью около 1,6%. [ 16 ] [ 17 ]
Реконструкция оригинального эксперимента Национальной физической лабораторией состоялась в 1996 году, в 25-ю годовщину первоначального эксперимента, с использованием более точных атомных часов во время полета из Лондона в Вашингтон, округ Колумбия , и обратно. Результаты были проверены с более высокой степенью точности. выигрыш во времени 39 ± 2 нс по сравнению с релятивистским предсказанием 39,8 нс. Наблюдался [ 18 ] В июне 2010 года Национальная физическая лаборатория вновь повторила эксперимент, на этот раз по всему миру (Лондон – Лос-Анджелес – Окленд – Гонконг – Лондон). Прогнозируемое значение составило 246 ± 3 нс , измеренное значение 230 ± 20 нс . [ 19 ]
Поскольку эксперимент Хафеле-Китинга воспроизводился все более точными методами, среди физиков существует консенсус, по крайней мере, с 1970-х годов, что релятивистские предсказания гравитационного и кинематического воздействия на время были окончательно подтверждены. [ 20 ] Критика эксперимента не касалась последующей проверки результата более точными методами, и было показано, что он ошибочен. [ 21 ]
Подобные эксперименты с атомными часами
[ редактировать ]Измерения, в которых единственным эффектом был гравитационный, были проведены Иидзимой и др. между 1975 и 1977 годами. Они возили коммерческие цезиевые часы туда и обратно из Национальной астрономической обсерватории Японии в Митаке , на высоте 58 м (190 футов) над уровнем моря, на коронную станцию Норикура , на высоте 2876 м (9436 футов) над уровнем моря. , что соответствует разнице высот 2818 м (9245 футов). В то время, когда часы находились в Митаке, их сравнивали с другими цезиевыми часами. Измеренное изменение скорости составило (29±1,5)×10. −14 , что соответствует результату 30,7×10 −14 предсказано общей теорией относительности. [ 22 ]
В 1976 году Бриаторе и Лешютта сравнили ход двух цезиевых часов: одних в Турине на высоте 250 м (820 футов) над уровнем моря, других на плато Роза на высоте 3500 м (11 500 футов) над уровнем моря. Сравнение проводилось путем оценки времени прихода импульсов телевизионной синхронизации УКВ и цепочки ЛОРАН -С. Прогнозируемая разница составила 30,6 нс/день. Используя два разных рабочих критерия, они обнаружили различия в 33,8±6,8 нс/день и 36,5±5,8 нс/день соответственно, что соответствует общей теории относительности. [ 23 ] Факторы окружающей среды контролировались гораздо точнее, чем в эксперименте Иидзима, в котором пришлось применять множество сложных поправок. [ нужна ссылка ]
В 2005 году ван Баак измерил гравитационное замедление времени в выходные на высоте 5400 футов над уровнем моря на горе Рейнир, используя два ансамбля из трех часов с цезиевым лучом HP 5071A. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] Он повторил эксперимент в 2016 году на горе Леммон для телешоу Стивена Хокинга «Гений» . [ 27 ]
В 2010 году Чоу и др. провел тесты, в которых как гравитационные, так и скоростные эффекты были измерены при скоростях и гравитационных потенциалах, намного меньших, чем те, которые использовались в экспериментах в горных долинах 1970-х годов. Удалось подтвердить скоростное замедление времени на 10-м уровне. −16 уровень на скорости ниже 36 км/ч. Кроме того, гравитационное замедление времени было измерено по разнице высот между двумя часами всего в 33 см (13 дюймов). [ 28 ] [ 29 ]
В настоящее время эффекты гравитации и скорости обычно включаются, например, в расчеты, используемые для Глобальной системы позиционирования . [ 30 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Полеты завершились 7 октября. ( «Они опережают время, проверяя Эйнштейна» . Нью-Йорк Таймс . 8 октября 1971 года . Проверено 3 мая 2020 г. )
- ^ Ланг, Кеннет (2013). Астрофизические формулы: пространство, время, материя и космология (3-е, иллюстрированное изд.). Спрингер. п. 152. ИСБН 978-3-662-21639-2 . Отрывок со страницы 152
- ^ Рицци, Гвидо; Руджеро, Маттео Лука (2003). Относительность во вращающихся системах отсчета: релятивистская физика во вращающихся системах отсчета (иллюстрированное издание). Springer Science & Business Media. п. 25. ISBN 978-1-4020-1805-3 . Выдержка со страницы 25
- ^ Jump up to: а б Кокс, Дон (2006). Исследования в области математической физики: концепции элегантного языка (иллюстрированное издание). Springer Science & Business Media. п. 500. ИСБН 978-0-387-30943-9 . Выдержка из страницы 500
- ^ Jump up to: а б Хафеле, JC ; Китинг, Р.Э. (14 июля 1972 г.). «Вокругсветные атомные часы: предсказанный релятивистский выигрыш во времени» (PDF) . Наука . 177 (4044): 166–168. Бибкод : 1972Sci...177..166H . дои : 10.1126/science.177.4044.166 . ПМИД 17779917 . S2CID 10067969 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2017 года . Проверено 30 марта 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Хафеле, JC ; Китинг, Р.Э. (14 июля 1972 г.). «Вокругсветные атомные часы: наблюдаемый релятивистский выигрыш во времени» (PDF) . Наука . 177 (4044): 168–170. Бибкод : 1972Sci...177..168H . дои : 10.1126/science.177.4044.168 . ПМИД 17779918 . S2CID 37376002 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2017 года . Проверено 30 марта 2017 г.
- ^ Холлидей, Дэвид; Резник, Роберт; Уокер, ДжерлУокер (2004). Основы физики, Часть 4 (7-е, иллюстрированное изд.). Уайли. п. 1030. ИСБН 978-0-471-42964-7 .
- ^ Эйнштейн, А. (1923). «К электродинамике движущихся тел» . Аннален дер Физик . 17 (10). Перевод Перретта, В.; Джеффри, Великобритания (опубликовано в 1905 г.): 891. Бибкод : 1905AnP...322..891E . дои : 10.1002/andp.19053221004 .
- ^ «На экваторе время движется медленнее?» . физика.stackexchange.com . Проверено 4 марта 2018 г.
- ^ Дрейк, СП (январь 2006 г.). «Принцип эквивалентности как ступенька от специальной теории относительности к общей» (PDF) . Американский журнал физики . 74 (1): 22–25. arXiv : gr-qc/0501034 . Бибкод : 2006AmJPh..74...22D . дои : 10.1119/1.2135316 . S2CID 119539826 .
- ^ Jump up to: а б с Уик, Джеральд (3 февраля 1972 г.). «Парадокс часов разрешен» . Новый учёный : 261–263. [ мертвая ссылка ]
- ^ Хафеле, JC (1971). Характеристики и результаты портативных часов в самолетах (PDF) . PTTI, 3-е ежегодное собрание . Архивировано из оригинала (PDF) 26 января 2017 г. Проверено 31 марта 2017 г.
- ^ Мартин Гарднер, Простое объяснение относительности, Дувр, 1997, стр. 117
- ^ «Наука: вопрос времени» . Время . 18 октября 1971 года. Архивировано из оригинала 21 декабря 2008 года.
- ^ Пирсон, Джон (январь 1972 г.). «Наука во всем мире» . Популярная механика . п. 30.
- ^ Элли, Колорадо (1979). «Относительность и часы». Материалы 33-го ежегодного симпозиума по управлению частотой : 4–39. дои : 10.1109/FREQ.1979.200296 .
- ^ Элли, Колорадо (1981). «Введение в некоторые фундаментальные концепции общей теории относительности и их необходимое использование в некоторых современных системах измерения времени» . Материалы совещания по системам и приложениям точного времени и временных интервалов . 13 : 687–727. Архивировано из оригинала 26 августа 2012 г.
- ^ НПЛ Метромния, выпуск 18 - весна 2005 г.
- ↑ Новости НПЛ, Время летит, 1 февраля 2011 г.
- ^ Вольфганг Риндлер, Основная теория относительности: специальная, общая и космологическая, Springer-Verlag, 1979, стр. 45
- ^ Робертс и Шлейф, Какова экспериментальная основа специальной теории относительности?
- ^ Иидзима, С.; Фудзивара, К.; Х. Кобаяши; Т. Като (1978). «Эксперимент по потенциальному синему смещению на Коронной станции Норикура». Летопись Токийской астрономической обсерватории . 17 : 68–78. Бибкод : 1978AnTok..17...68I .
- ^ Бриаторе, Л.; Лешютта, С. (1977). «Доказательства гравитационного сдвига Земли путем прямого сравнения в масштабе атомного времени». Иль Нуово Чименто Б. 37 (2): 219–231. Бибкод : 1977NCimB..37..219B . дои : 10.1007/BF02726320 . S2CID 124043777 .
- ^ Нортон, Куинн (12 ноября 2007 г.). «Хакеры времени-любители играют дома с атомными часами» . Проводной .
- ^ ван Баак, Том (6 декабря 2006 г.). Проект GREAT: Юбилейное испытание общей теории относительности Эйнштейна и Эссена (PDF) . 38-е ежегодное совещание по точному времени и временным интервалам, 2006 г. (презентация на конференции).
- ^ ван Баак, Том (25 сентября 2005 г.). «Проект ВЕЛИКИЙ: юбилейный тест Эйнштейна/Эссена по общей теории относительности» . Проверено 30 марта 2017 г.
Это были лучшие дополнительные 22 наносекунды, которые я когда-либо проводил с детьми.
- ^ ван Баак, Том (17 мая 2016 г.). «Проект GREAT 2016a — Хокинг, Эйнштейн и замедление времени на горе Леммон» . Проверено 30 марта 2017 г.
- ^ Нетехническое объяснение на http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=time-dilation.
- ^ Чжоу, CW; Хьюм, Д.Б.; Розенбанд, Т.; Вайнленд, диджей (2010). «Оптические часы и теория относительности» . Наука . 329 (5999): 1630–1633. Бибкод : 2010Sci...329.1630C . дои : 10.1126/science.1192720 . ПМИД 20929843 . S2CID 206527813 .
- ^ Дайнс, С.Д. (1992). Некомпенсированные эффекты относительности для наземного приемника GPSA . IEEE PLANS 92 Симпозиум по определению местоположения и навигации. IEEE. стр. 7–11. дои : 10.1109/PLANS.1992.185812 . ISBN 978-0-7803-0468-0 .