Hughes-Dreverův experiment - Hughes–Drever experiment

7Li NMR spektrum LiCl (1 M) v D2O. Ostrá, nerozdělená linie NMR tohoto izotopu lithia je důkazem izotropie hmoty a prostoru.

Hughes – Drever experimenty (také experimenty s hodinovým srovnáním, anizotropií s hodinami, masovou izotropií nebo experimenty s energetickou izotropií) jsou spektroskopické zkoušky izotropie z Hmotnost a prostor. Ačkoli původně koncipován jako test Machův princip, je nyní chápán jako důležitý test Lorentzova invariance. Jako v Michelson – Morleyovy experimenty, existence a preferovaný rám Lze otestovat referenční hodnoty nebo jiné odchylky od Lorentzovy invariance, což také ovlivňuje platnost princip ekvivalence. Tyto experimenty se tedy týkají základních aspektů obou speciální a obecná relativita. Na rozdíl od experimentů typu Michelson – Morley, experimenty Hughes – Drever testují izotropii interakcí samotné hmoty, tj. protony, neutrony, a elektrony. Díky dosažené přesnosti je tento druh experimentu jedním z nejpřesnějších potvrzení relativity (viz také Zkoušky speciální relativity ).[A 1][A 2][A 3][A 4][A 5][A 6]

Experimenty od Hughese a Drevera

Giuseppe Cocconi a Edwin Ernest Salpeter (1958) se domnívali, že setrvačnost záleží na okolních masách podle Machův princip. Nerovnoměrné rozdělení hmoty by tak vedlo k anizotropie setrvačnosti v různých směrech. Heuristické argumenty je vedly k přesvědčení, že v jakékoli setrvačné anizotropii, pokud by nějaká existovala, by dominovaly hromadné příspěvky ze středu naší galaxie Mléčné dráhy. Tvrdili, že tuto anizotropii lze pozorovat dvěma způsoby: měřením Zeeman se rozchází v atomu,[1] nebo měřením štěpení Zeemana v vzrušený jaderný stav z 57
Fe
 za použití Mössbauerův efekt.[2]

Vernon W. Hughes et al. (1960)[3] a Ronald Drever (1961)[4] nezávisle prováděny podobné spektroskopické experimenty k testování Machova principu. Nepoužívali však Mössbauerův efekt, ale udělali magnetická rezonance měření jádro z lithium -7, jehož základní stav má a roztočit z3⁄2. Základní stav je rozdělen na čtyři rovnoměrně rozmístěné magnetické energetické hladiny při měření v magnetickém poli v souladu s jeho povoleným magnetické kvantové číslo. Funkce jaderných vln pro různé energetické úrovně mají různé prostorové distribuce vzhledem k magnetickému poli, a proto mají různé směrové vlastnosti. Pokud je hmotová izotropie uspokojena, měl by každý přechod mezi dvojicí sousedních úrovní vyzařovat foton se stejnou frekvencí, což by vedlo k jediné ostré spektrální linii. Na druhou stranu, pokud má setrvačnost závislost na směru, měla by být pozorována tripletová nebo rozšířená rezonanční linie. Během 24hodinového kurzu experimentu Drevera se Země otočila a osa magnetického pole zametla různé úseky oblohy. Drever věnoval zvláštní pozornost chování spektrální čáry, když magnetické pole procházelo středem galaxie.[A 7] Hughes ani Drever nepozorovali žádný frekvenční posun energetických hladin a vzhledem k vysoké přesnosti jejich experimentů mohla být maximální anizotropie omezena na 0,04Hz = 10−25 GeV.

Pokud jde o důsledky nulového výsledku pro Machův princip, ukázalo se to Robert H. Dicke (1961), že je v souladu s tímto principem, pokud je prostorová anizotropie stejná pro všechny částice. Nulový výsledek tedy spíše ukazuje, že účinky inerciální anizotropie jsou, pokud existují, univerzální pro všechny částice a lokálně nepozorovatelné.[5][6]

Moderní interpretace

Zatímco motivací pro tento experiment bylo otestovat Machův princip, od té doby se stal uznávaným jako důležitý test Lorentzova invariance a tudíž speciální relativita. Je tomu tak proto, že anizotropní efekty se vyskytují také v přítomnosti a přednost a Lorentzův referenční rámec - obvykle identifikovaný s CMBR zbytek rámu jako nějaký druh světelný éter (relativní rychlost kolem 368 km / s). Proto jsou negativní výsledky Hughes-Dreverových experimentů (stejně jako Michelson – Morleyovy experimenty ) vylučují existenci takového rámce. Zejména Hughes-Dreverovy testy Lorentzova porušení jsou často popsány testovací teorií speciální relativity předloženou Mark P. Haugan a Clifford Will. Podle tohoto modelu může Lorentzovo porušení za přítomnosti preferovaných rámců vést k rozdílům mezi maximální dosažitelnou rychlostí masivních částic a rychlostí světla. Pokud by byly odlišné, změnily by se také vlastnosti a frekvence interakcí hmoty. Kromě toho je to zásadní důsledek princip ekvivalence z obecná relativita že Lorentzova invariance lokálně platí ve volně se pohybujících referenčních rámcích = lokální Lorentzova invariance (LLI). To znamená, že výsledky tohoto experimentu se týkají speciální i obecné teorie relativity.[A 1][A 2]

Vzhledem k tomu, že jsou porovnávány různé frekvence („hodiny“), jsou tyto experimenty označovány také jako experimenty srovnávající hodiny.[A 3][A 4]

Nedávné experimenty

Další informace: Moderní hledání porušení Lorentz

Kromě Lorentzova porušení kvůli preferovanému rámci nebo vlivům založeným na Machově principu, spontánní porušení Lorentzovy invariance a CPT symetrie jsou také hledány, motivovány předpovědi různých kvantová gravitace modely, které naznačují jejich existenci. Byly provedeny moderní aktualizace experimentů Hughes-Drever, které studovaly možné porušení Lorentz a CPT v neutrony a protony. Použitím spinově polarizované systémy a komagnetometry (k potlačení magnetických vlivů), byla výrazně zvýšena přesnost a citlivost těchto experimentů. Navíc pomocí spinově polarizované torzní zůstatky, elektron byl také testován sektor.[A 5][A 6]

Všechny tyto experimenty dosud poskytly negativní výsledky, takže stále neexistují žádné známky existence preferovaného rámce nebo jakékoli jiné formy Lorentzova porušení. Hodnoty následující tabulky souvisejí s koeficienty danými hodnotou Standardní rozšíření modelu (SME), často používaný efektivní teorie pole posoudit možná Lorentzova porušení (viz také další Otestujte teorie speciální relativity ). Z toho lze jakoukoli odchylku Lorentzovy invariance spojit se specifickými koeficienty. Protože se v těchto experimentech testuje řada koeficientů, udává se pouze hodnota maximální citlivosti (přesná data viz jednotlivé články):[A 3][A 8][A 4]

AutorRokOmezení malých a středních podnikůPopis
ProtonNeutronElektron
Prestage et al.[7]198510−27Srovnání jaderné spin-flip přechod z 9
Být+
 (uloženo v past na tužku ) s přechodem vodíkového maseru.
Phillips[8]198710−27Sinusové oscilace byly vyšetřovány pomocí kryogenní roztočit-torzní kyvadlo nesoucí příčně polarizovaný magnet.
Lamoreaux et al.[9]198910−29Indukovali polarizaci dipólu a kvadrupólu na a pára z 201
Hg
, kterými lze pozorovat kvadrupólové energetické posuny.
Chupp et al.[10]198910−27Zkoumá se časově závislé rozdělení kvadrupólů na Zeemanovy úrovně. 21
Ne
 a 3
On
 plyny jsou polarizovány spinovou výměnou a porovnávány.
Wineland et al.[11]199110−25Jsou zkoumány anomální vazby dipól-monopol a dipól-dipól zkoumáním hyperjemných rezonancí v 9
Být+
.
Wang et al.[12]199310−27Kyvadlo spin-torze nesoucí spin polarizované Dy –Fe hmota se zkoumá pro hvězdné variace.
Berglund et al.[13]199510−2710−3010−27Frekvence 199Hg a 133Čs jsou porovnány použitím magnetického pole.
Medvěd et al.[14]200010−31Frekvence 129
Xe
 a 3
On
 Maskáři Zeeman jsou srovnáváni.
Phillips et al.[15]200010−27Frekvence Zeeman se měří pomocí vodíkové masery.
Humphrey et al.[16]200310−2710−27Podobně jako Phillips et al. (2000).
Hou et al.[17]200310−29Podobně jako Wang et al. (1993).
Třtina et al.[18]200410−32Podobně jako Bear et al. (2000).
Vlk et al.[19]200610−25Atomové frekvence se měří laserem chlazeným 133
Čs
 atomové fontány.
Heckel et al.[20]200610−30Použili kyvadlo pro rotaci a torzi se čtyřmi sekcemi Alnico a čtyři sekce Sm5Spol.
Heckel et al.[21]200810−31Podobně jako Heckel a kol. (2006).
Altarev et al.[22]200910−29Frekvence precese rotace v uložených ultrachladných neutronech a 199
Hg
 jsou analyzovány.
Hnědý et al.[23]201010−3210−33Porovnání frekvencí v a K. / 3
On
 komagnetometr.
Gemmel et al.[24]201010−32Porovnání frekvencí v a 129
Xe
 / 3
On
 komagnetometr.
Smiciklas et al.[25]201110−29Porovnání frekvencí v a 21
Ne
 / Rb / K. komagnetometr. Test maximální dosažitelné rychlosti neutronů.
Klovat et al.[26]201210−3010−31Podobně jako Berglund et al. (1995).
Hohensee et al.[27]201310−17Měření přechodových frekvencí dvou téměř degenerovaných stavů 164
Dy
 a 162
Dy
. Test maximální dosažitelné rychlosti elektronů.
Allmendinger et al.[28]201310−34Podobně jako Gemmel et al. (2010).

Sekundární zdroje

  1. ^ A b Will, C. M. (2006). „Konfrontace mezi obecnou relativitou a experimentem“. Živé recenze v relativitě. 9 (3). arXiv:gr-qc / 0510072. Bibcode:2006LRR ..... 9 .... 3W. doi:10.12942 / lrr-2006-3. PMC  5256066. PMID  28179873. Citováno 23. června 2011.
  2. ^ A b Will, C. M. (1995). "Stabilní hodiny a obecná relativita". Sborník z 30. Rencontres de Moriond: 417. arXiv:gr-qc / 9504017. Bibcode:1995dmcc.conf..417W.
  3. ^ A b C Kostelecký, V. Alan; Lane, Charles D. (1999). "Omezení narušení Lorentze z experimentů srovnávajících hodiny". Fyzický přehled D. 60 (11): 116010. arXiv:hep-ph / 9908504. Bibcode:1999PhRvD..60k6010K. doi:10.1103 / PhysRevD.60.116010.
  4. ^ A b C Mattingly, David (2005). „Modern Tests of Lorentz Invariance“. Living Rev.Relativ. 8 (5): 5. arXiv:gr-qc / 0502097. Bibcode:2005LRR ..... 8 .... 5M. doi:10.12942 / lrr-2005-5. PMC  5253993. PMID  28163649.
  5. ^ A b Pospelov, Maxim; Romalis, Michael (2004). „Lorentzova invariance na zkoušku“ (PDF). Fyzika dnes. 57 (7): 40–46. Bibcode:2004PhT .... 57g..40P. doi:10.1063/1.1784301.
  6. ^ A b Walsworth, R. L. (2006). „Testy Lorentzovy symetrie v sektoru spinové spojky“ (PDF). Přednášky z fyziky. Přednášky z fyziky. 702: 493–505. doi:10.1007 / 3-540-34523-X_18. ISBN  978-3-540-34522-0.
  7. ^ Bartusiak, Marcia (2003). Einsteinova Nedokončená symfonie: Poslech zvuků časoprostoru. Joseph Henry Press. 96–97. ISBN  0425186202. Citováno 15. července 2012. „Sledoval jsem tuto linii během 24 hodin, když se Země otáčela. Když se osa pole otočila kolem středu galaxie a dalších směrů, hledal jsem změnu, “vzpomíná Drever.
  8. ^ Hou, Li-Shing; Ni, Wei-Tou; Li, Yu-Chu M. (2003). "Test kosmické prostorové izotropie pro polarizované elektrony pomocí otočné torzní rovnováhy". Dopisy o fyzické kontrole. 90 (20): 201101. arXiv:fyzika / 0009012. Bibcode:2003PhRvL..90t1101H. doi:10.1103 / PhysRevLett.90.201101. PMID  12785879.

Primární zdroje

  1. ^ Cocconi, G .; Salpeter E. (1958). "Hledání anizotropie setrvačnosti". Il Nuovo Cimento. 10 (4): 646–651. Bibcode:1958NCim ... 10..646C. doi:10.1007 / BF02859800.
  2. ^ Cocconi, G .; Salpeter E. (1960). „Horní limit pro anizotropii setrvačnosti z Mössbauerova efektu“. Dopisy o fyzické kontrole. 4 (4): 176–177. Bibcode:1960PhRvL ... 4..176C. doi:10.1103 / PhysRevLett.4.176.
  3. ^ Hughes, V. W .; Robinson, H. G .; Beltran-Lopez, V. (1960). „Horní limit pro anizotropii setrvačné hmoty z experimentů s jadernou rezonancí“. Dopisy o fyzické kontrole. 4 (7): 342–344. Bibcode:1960PhRvL ... 4..342H. doi:10.1103 / PhysRevLett.4.342.
  4. ^ Drever, R. W. P. (1961). "Hledání anizotropie setrvačné hmoty pomocí techniky volné precese". Filozofický časopis. 6 (65): 683–687. Bibcode:1961PMag .... 6..683D. doi:10.1080/14786436108244418.
  5. ^ Dicke, R. H. (1961). „Experimentální testy Machova principu“. Dopisy o fyzické kontrole. 7 (9): 359–360. Bibcode:1961PhRvL ... 7..359D. doi:10.1103 / PhysRevLett.7.359.
  6. ^ Dicke, R. H. (1964). Teoretický význam experimentální relativity. Gordon a Breach.
  7. ^ Prestage, J. D .; Bollinger, J. J .; Itano, W. M .; Wineland, D. J. (1985). "Limity pro prostorovou anizotropii při použití iontů Be-9 (+) polarizovaných nukleárně-spinově". Dopisy o fyzické kontrole. 54 (22): 2387–2390. Bibcode:1985PhRvL..54.2387P. doi:10.1103 / PhysRevLett.54.2387. PMID  10031329.
  8. ^ Phillips, P. R. (1987). "Test prostorové izotropie pomocí kryogenního spin-torzního kyvadla". Dopisy o fyzické kontrole. 59 (5): 1784–1787. Bibcode:1987PhRvL..59.1784P. doi:10.1103 / PhysRevLett.59.1784.
  9. ^ Lamoreaux, S.K .; Jacobs, J. P .; Heckel, B. R .; Raab, F. J .; Fortson, E. N. (1989). „Technika optického čerpání pro měření malých posunů jaderných kvadrupólů v atomech 1S (0) a testování prostorové izotropie“. Fyzický přehled A. 39 (3): 1082–1111. Bibcode:1989PhRvA..39.1082L. doi:10.1103 / PhysRevA.39.1082. PMID  9901347.
  10. ^ Chupp, T. E.; Hoare, R. J .; Loveman, R. A .; Oteiza, E. R .; Richardson, J. M .; Wagshul, M. E.; Thompson, A. K. (1989). "Výsledky nového testu lokální Lorentzovy invariance: Hledání masové anizotropie v 21Ne". Dopisy o fyzické kontrole. 63 (15): 1541–1545. Bibcode:1989PhRvL..63.1541C. doi:10.1103 / PhysRevLett.63.1541. PMID  10040606.
  11. ^ Wineland, D. J .; Bollinger, J. J .; Heinzen, D. J .; Itano, W. M .; Raizen, M. G. (1991). "Hledání anomálních sil závislých na rotaci pomocí spektroskopie s uloženými ionty". Dopisy o fyzické kontrole. 67 (13): 1735–1738. Bibcode:1991PhRvL..67,1735W. doi:10.1103 / PhysRevLett.67.1735. PMID  10044234.
  12. ^ Wang, Shih-Liang; Ni, Wei-Tou; Pan, Sheau-Shi (1993). „Nový experimentální limit prostorové anizotropie pro polarizované elektrony“. Moderní fyzikální písmena A. 8 (39): 3715–3725. Bibcode:1993 MPLA .... 8,3715 W.. doi:10.1142 / S0217732393003445.
  13. ^ Berglund, C. J .; Hunter, L. R .; Krause, D. Jr.; Prigge, E. O .; Ronfeldt, M. S .; Lamoreaux, S. K. (1995). "Nové limity pro místní Lorentzovu invariance z Hg a Cs magnetometrů". Dopisy o fyzické kontrole. 75 (10): 1879–1882. Bibcode:1995PhRvL..75.1879B. doi:10.1103 / PhysRevLett.75.1879. PMID  10059152.
  14. ^ Bear, D .; Stoner, R.E .; Walsworth, R.L .; Kostelecký, V. Alan; Lane, Charles D. (2000). „Limit na Lorentz a CPT porušení neutronu pomocí dvoudruhového masla ušlechtilého plynu“. Dopisy o fyzické kontrole. 85 (24): 5038–5041. arXiv:fyzika / 0007049. Bibcode:2000PhRvL..85.5038B. doi:10.1103 / PhysRevLett.85.5038. PMID  11102181.
  15. ^ Phillips, D. F .; Humphrey, M. A .; Mattison, E. M .; Stoner, R.E .; Vessot, R.F .; Walsworth, R. L. (2000). "Omezení na Lorentz a CPT narušení protonu pomocí vodíkového maseru". Fyzický přehled D. 63 (11): 111101. arXiv:fyzika / 0008230. Bibcode:2001PhRvD..63k1101P. doi:10.1103 / PhysRevD.63.111101.
  16. ^ Humphrey, M. A .; Phillips, D. F .; Mattison, E. M .; Vessot, R. F .; Stoner, R.E .; Walsworth, R. L. (2003). "Testování CPT a Lorentzovy symetrie s vodíkovými masery". Fyzický přehled A. 68 (6): 063807. arXiv:fyzika / 0103068. Bibcode:2003PhRvA..68f3807H. doi:10.1103 / PhysRevA.68.063807.
  17. ^ Hou, Li-Shing; Ni, Wei-Tou; Li, Yu-Chu M. (2003). "Test kosmické prostorové izotropie pro polarizované elektrony pomocí otočné torzní rovnováhy". Dopisy o fyzické kontrole. 90 (20): 201101. arXiv:fyzika / 0009012. Bibcode:2003PhRvL..90t1101H. doi:10.1103 / PhysRevLett.90.201101. PMID  12785879.
  18. ^ Canè, F .; Bear, D .; Phillips, D. F .; Rosen, M. S .; Smallwood, C. L .; Stoner, R.E .; Walsworth, R.L .; Kostelecký, V. Alan (2004). "Vazba na účinky zesílení Lorentz a CPT porušující neutron". Dopisy o fyzické kontrole. 93 (23): 230801. arXiv:fyzika / 0309070. Bibcode:2004PhRvL..93w0801C. doi:10.1103 / PhysRevLett.93.230801. PMID  15601138.
  19. ^ Wolf, P .; Chapelet, F .; Bize, S .; Clairon, A. (2006). "Test hodin studeného atomu Lorentzovy invariance v sektoru hmoty". Dopisy o fyzické kontrole. 96 (6): 060801. arXiv:hep-ph / 0601024. Bibcode:2006PhRvL..96f0801W. doi:10.1103 / PhysRevLett.96.060801. PMID  16605978.
  20. ^ Heckel, B. R .; Cramer, C.E .; Cook, T. S .; Adelberger, E. G .; Schlamminger, S .; Schmidt, U. (2006). „Nové porušení CP a testy preferovaného rámce s polarizovanými elektrony“. Dopisy o fyzické kontrole. 97 (2): 021603. arXiv:hep-ph / 0606218. Bibcode:2006PhRvL..97b1603H. doi:10.1103 / PhysRevLett.97.021603. PMID  16907432.
  21. ^ Heckel, B. R .; Adelberger, E. G .; Cramer, C.E .; Cook, T. S .; Schlamminger, S .; Schmidt, U. (2008). "Testy preferovaného rámce a CP-porušení s polarizovanými elektrony". Fyzický přehled D. 78 (9): 092006. arXiv:0808.2673. Bibcode:2008PhRvD..78i2006H. doi:10.1103 / PhysRevD.78.092006.
  22. ^ Altarev, I .; et al. (2009). "Test Lorentzovy invariance s precesí odstřeďování ultrachladných neutronů". Dopisy o fyzické kontrole. 103 (8): 081602. arXiv:0905.3221. Bibcode:2009PhRvL.103h1602A. doi:10.1103 / PhysRevLett.103.081602. PMID  19792714.
  23. ^ Brown, J. M .; Smullin, S. J .; Kornack, T. W .; Romalis, M. V. (2010). „Nový limit pro interakce neutronových spinů s Lorentzovým a CPT porušením“. Dopisy o fyzické kontrole. 105 (15): 151604. arXiv:1006.5425. Bibcode:2010PhRvL.105o1604B. doi:10.1103 / PhysRevLett.105.151604. PMID  21230893.
  24. ^ Gemmel, C .; Heil, W .; Karpuk, S .; Lenz, K .; Sobolev, Yu .; Tullney, K .; Burghoff, M .; Kilian, W .; Knappe-Grüneberg, S .; Müller, W .; Schnabel, A .; Seifert, F .; Trahms, L .; Schmidt, U. (2010). "Limit na Lorentz a CPT narušení vázaného neutronu pomocí volné precese He3 / Xe129 komagnetometru". Fyzický přehled D. 82 (11): 111901. arXiv:1011.2143. Bibcode:2010PhRvD..82k1901G. doi:10.1103 / PhysRevD.82.111901.
  25. ^ M. Smiciklas; et al. (2011). „Nový test lokální Lorentzovy invariance pomocí 21Ne-Rb-K magnetometru“. Dopisy o fyzické kontrole. 107 (17): 171604. arXiv:1106.0738. Bibcode:2011PhRvL.107q1604S. doi:10.1103 / PhysRevLett.107.171604. PMID  22107506.
  26. ^ Peck, S.K .; et al. (2012). "Nové limity pro místní Lorentzovu invariantu v Merkuru a cesiu". Fyzický přehled A. 86 (1): 012109. arXiv:1205.5022. Bibcode:2012PhRvA..86a2109P. doi:10.1103 / PhysRevA.86.012109.
  27. ^ Hohensee, M.A.; et al. (2013). „Meze porušení Lorentzovy symetrie a Einsteinova principu ekvivalence pomocí vysokofrekvenční spektroskopie atomového dysprosia“. Dopisy o fyzické kontrole. 111 (5): 050401. arXiv:1303.2747. Bibcode:2013PhRvL.111e0401H. doi:10.1103 / PhysRevLett.111.050401. PMID  23952369.
  28. ^ Allmendinger, F .; et al. (2013). "Nový limit pro interakce Lorentz a CPT narušující neutronové spiny pomocí volné precese 3He-129Xe co-magnetometr". Dopisy o fyzické kontrole. 112 (11): 110801. arXiv:1312.3225. Bibcode:2014PhRvL.112k0801A. doi:10.1103 / PhysRevLett.112.110801. PMID  24702343.

externí odkazy