Zkoušky speciální relativity - Tests of special relativity
Speciální relativita je fyzikální teorie která hraje zásadní roli v popisu všech fyzikálních jevů, pokud gravitace není významné. Mnoho experimentů hrálo (a stále hraje) důležitou roli v jeho vývoji a ospravedlnění. Síla teorie spočívá v její jedinečné schopnosti správně předvídat s vysokou přesností výsledek extrémně rozmanité škály experimentů. Opakování mnoha z těchto experimentů se stále provádí s neustále se zvyšující přesností, přičemž moderní experimenty se zaměřují na efekty, jako například na Planckova stupnice a v neutrino sektor. Jejich výsledky jsou v souladu s předpovědi speciální relativity. Sbírky různých testů byly dány Jakob Laub,[1] Zhang,[2] Mattingly,[3] Clifford Will,[4] a Roberts / Schleif.[5]
Speciální relativita je omezena na plochý časoprostor, tj., na všechny jevy bez podstatného vlivu gravitace. Ten leží v doméně obecná relativita a odpovídající testy obecné relativity musí být zváženo.
Experimenty dláždí cestu k relativitě
Převládající teorií světla v 19. století byla teorie světelný éter, a stacionární médium, ve kterém se světlo šíří analogickým způsobem zvuk se šíří vzduchem. Analogicky z toho vyplývá, že rychlost světla je konstantní ve všech směrech v éteru a je nezávislý na rychlosti zdroje. Takže pozorovatel pohybující se relativně k éteru musí měřit jakýsi „éterový vítr“, i když pozorovatel pohybující se relativně ke vzduchu měří zdánlivý vítr.
Pokusy prvního řádu

Počínaje prací François Arago (1810), byla provedena řada optických experimentů, které měly přinést pozitivní výsledek pro magnitudy prvního řádu v v / c a který tak měl demonstrovat relativní pohyb éteru. Výsledky však byly negativní. Vysvětlení poskytl Augustin Fresnel (1818) se zavedením pomocné hypotézy, takzvaného „tažného koeficientu“, tj. Hmoty v malé míře táhne éter. Tento koeficient přímo prokázal Fizeau experiment (1851). Později se ukázalo, že všechny optické experimenty prvního řádu musí kvůli tomuto koeficientu poskytnout negativní výsledek. Kromě toho byly provedeny některé elektrostatické experimenty prvního řádu, které měly opět negativní výsledky. Obecně, Hendrik Lorentz (1892, 1895) představili několik nových pomocných proměnných pro pohybující se pozorovatele, což demonstrovalo, proč všechny optické a elektrostatické experimenty prvního řádu přinesly nulové výsledky. Například Lorentz navrhl polohovou proměnnou, podle které se elektrostatická pole smršťují v linii pohybu, a další proměnnou („místní čas“), kterou časové souřadnice pro pohybující se pozorovatele závisí na jejich aktuální poloze.[1]
Experimenty druhého řádu

Teorie stacionárního éteru by však přinesla pozitivní výsledky, pokud jsou experimenty dostatečně přesné na to, aby měřily velikosti druhého řádu v v / c. Albert A. Michelson provedl první experiment tohoto druhu v roce 1881, následovaný sofistikovanějšími Michelson – Morleyův experiment v roce 1887. Dva paprsky světla, pohybující se po určitou dobu v různých směrech, byly rušeny, takže různé orientace vzhledem k éterovému větru by měly vést k posunutí interferenční proužky. Ale výsledek byl opět negativní. Východiskem z tohoto dilematu byl návrh George Francis FitzGerald (1889) a Lorentz (1892) se hmota stahuje v linii pohybu vzhledem k éteru (kontrakce délky ). To znamená, že starší hypotéza kontrakce elektrostatických polí byla rozšířena na mezimolekulární síly. Protože však pro to neexistoval teoretický důvod, byla uvažována hypotéza kontrakce ad hoc.
Kromě optického experimentu Michelson – Morley byl proveden také jeho elektrodynamický ekvivalent, Trouton – ušlechtilý experiment. Tím by mělo být prokázáno, že pohybující se kondenzátor musí být podroben a točivý moment. Kromě toho Experimenty Rayleigh a Brace zamýšlel měřit některé důsledky kontrakce délky v laboratorním rámci, například předpoklad, že by to vedlo k dvojlom. Ačkoli všechny tyto experimenty vedly k negativním výsledkům. (The Trouton – Rankinův experiment provedený v roce 1908 také poskytl negativní výsledek při měření vlivu kontrakce délky na elektromagnetická cívka.)[1]
Aby vysvětlil všechny experimenty provedené před rokem 1904, byl Lorentz nucen znovu rozšířit svou teorii zavedením úplnosti Lorentzova transformace. Henri Poincaré v roce 1905 prohlásil, že je nemožné prokázat absolutní pohyb (princip relativity ) je zjevně zákon přírody.
Vyvrácení úplného přetažení éteru

Myšlenka, že by éter mohl být zcela vtažen do Země nebo v její blízkosti, což by vysvětlovalo negativní experimenty s unášením éteru, byla vyvrácena řadou experimentů.
- Oliver Lodge (1893) zjistili, že rychle vířící ocelové disky nad a pod citlivým společná cesta interferometrické uspořádání neprovedlo měřitelný posun na okraji.
- Gustaf Hammar (1935) se nepodařilo najít žádný důkaz o tažení éteru pomocí interferometru se společnou cestou, jehož jedno rameno bylo uzavřeno silnostěnnou trubkou s olovem, zatímco druhé rameno bylo volné.
- The Efekt Sagnac ukázal, že rychlost dvou světelných paprsků není ovlivněna rotací platformy.
- Existence aberace světla byl v rozporu s hypotézou aetherového tažení.
- Předpoklad, že aetherový odpor je úměrný hmotnosti a tedy k němu dochází pouze s ohledem na Zemi jako celek, vyvrátil Michelson – Gale – Pearsonův experiment, který demonstroval efekt Sagnac prostřednictvím pohybu Země.
Lodge vyjádřil paradoxní situaci, ve které se fyzici ocitli, takto: „... na žádnou praktickou rychlost nezáleží ... nezanedbatelně viskózní sevření éteru. musí být schopen uvrhnout jej do vibrací, pokud kmitají nebo se otáčejí dostatečnou rychlostí; jinak by nevyzařovaly světlo ani žádný druh záření; ale v žádném případě se nezdá, že by to táhli sebou, nebo aby se setkali s odporem v jakémkoli jednotném pohybu skrz něj. “[6]
Speciální relativita
Přehled
Nakonec, Albert Einstein (1905) dospěli k závěru, že zavedené teorie a fakta známá v té době tvoří logický ucelený systém pouze tehdy, když jsou koncepty prostoru a času podrobeny zásadní revizi. Například:
- Maxwell-Lorentzova elektrodynamika (nezávislost rychlosti světla na rychlosti zdroje),
- experimenty s negativním éterovým driftem (žádný preferovaný referenční rámec),
- Problém s pohyblivým magnetem a vodičem (relevantní je pouze relativní pohyb),
- the Fizeau experiment a aberace světla (oba znamenají upravené přidání rychlosti a žádný úplný odpor éteru).
Výsledek je speciální relativita teorie, která je založena na stálosti rychlosti světla ve všech setrvačné referenční rámce a princip relativity. Lorentzova transformace zde již není pouhou sbírkou pomocných hypotéz, ale odráží zásadní Lorentzova symetrie a tvoří základ úspěšných teorií jako např Kvantová elektrodynamika. Speciální relativita nabízí velké množství testovatelných předpovědí, například:[7]
Princip relativity | Stálost rychlosti světla | Dilatace času |
---|---|---|
Jakýkoli rovnoměrně se pohybující pozorovatel v setrvačném rámci nemůže určit svůj „absolutní“ stav pohybu souběžným experimentálním uspořádáním. | Ve všech setrvačných rámcích je naměřená rychlost světla stejná ve všech směrech (izotropie ), nezávisle na rychlosti zdroje, a nelze jej dosáhnout pomocí masivní těla. | Rychlost hodin C (= jakýkoli periodický proces) cestování mezi dvěma synchronizovanými hodinami A a B v klidu v inerciálním rámci je zpomalena vzhledem k těmto dvěma hodinám. |
Také další relativistické efekty jako např kontrakce délky, Dopplerův jev, aberace a experimentální předpovědi relativistických teorií, jako je Standardní model lze měřit. |
Základní experimenty

Účinky speciální relativity lze fenomenologicky odvodit z následujících tří základních experimentů:[8]
- Michelson – Morleyův experiment, kterou závislost rychlosti světla na směr lze měřit měřicí zařízení. Stanovuje vztah mezi podélnou a příčnou délkou pohybujících se těles.
- Experiment Kennedy – Thorndike, kterou závislost rychlosti světla na rychlost lze měřit měřicí zařízení. Stanovuje vztah mezi podélnými délkami a dobou trvání pohybujících se těles.
- Ives – Stilwellův experiment, kterými dilatace času lze přímo otestovat.
Z těchto tří experimentů a pomocí PoincaréhoEinsteinova synchronizace následuje úplná Lorentzova transformace s být Lorentzův faktor:[8]
Kromě odvození Lorentzovy transformace je důležitá také kombinace těchto experimentů, protože je lze při individuálním pohledu interpretovat různými způsoby. Například izotropické experimenty, jako je Michelson-Morley, lze považovat za jednoduchý důsledek principu relativity, podle něhož se každý setrvačně pohybující se pozorovatel může považovat za klidového. Proto je experiment MM sám o sobě kompatibilní s galilejskými invariantními teoriemi teorie emisí nebo dokončit hypotézu aetherového tahu, které také obsahují jakýsi princip relativity. Když se však vezmou v úvahu další experimenty, které vylučují galilejské invariantní teorie (tj. experiment Ives-Stilwell, různé vyvrácení emisních teorií a vyvrácení úplného přetažení éteru ), Lorentzovo invariantní teorie a tedy speciální relativita jsou jediné teorie, které zůstávají životaschopné.
Stálost rychlosti světla
Interferometry, rezonátory

Moderní varianty Michelson-Morley a Kennedy – Thorndikeovy experimenty byly provedeny za účelem otestování izotropie rychlosti světla. Na rozdíl od Michelsona-Morleye používají experimenty Kennedyho a Thorndikea různé délky paží a hodnocení trvají několik měsíců. Tímto způsobem lze pozorovat vliv různých rychlostí během oběžné dráhy Země kolem Slunce. Laser, maser a optické rezonátory jsou použity, čímž se snižuje možnost jakékoli anizotropie rychlosti světla na 10−17 úroveň. Kromě pozemských testů Experimenty s lunárním laserem byly také provedeny jako variace experimentu Kennedy-Thorndike.[4]
Dalším typem izotropních experimentů jsou Mössbauerovy experimenty s rotorem v šedesátých letech, kdy lze pozorovat anizotropii Dopplerova jevu na rotujícím disku pomocí Mössbauerův efekt (tyto experimenty lze také použít k měření dilatace času, viz níže).
Žádná závislost na rychlosti zdroje nebo energii

Emisní teorie, podle kterého rychlost světla závisí na rychlosti zdroje, může myslitelně vysvětlit negativní výsledek experimentů s éterovým driftem. Teprve v polovině 60. let byla experimentem definitivně prokázána stálost rychlosti světla, protože v roce 1965 J. G. Fox prokázaly, že účinky věta o zániku učinil výsledky všech experimentů předcházejících té době neprůkaznými, a proto kompatibilní jak se speciální teorií relativity, tak s emisní teorií.[9][10] Novější experimenty rozhodně vyloučily emisní model: nejdříve to byly Filippas a Fox (1964),[11] pomocí pohyblivých zdrojů gama paprsků a Alväger et al. (1964),[12] což prokázalo, že fotony nezískávaly rychlost rychle se rozpadajících mezonů, které byly jejich zdrojem. Kromě toho de Sitterův dvojhvězdný experiment (1913) zopakoval Brecher (1977) s ohledem na teorém o zániku a vyloučil také závislost na zdroji.[13]
Připomínky Gama záblesky také prokázali, že rychlost světla je nezávislá na frekvenci a energii světelných paprsků.[14]
Jednosměrná rychlost světla
Byla provedena řada jednosměrných měření, která všechna potvrdila izotropii rychlosti světla.[5] Jednoznačně však lze měřit pouze obousměrnou rychlost světla (z A do B zpět do A), protože jednosměrná rychlost závisí na definici simultánnosti, a tedy na způsobu synchronizace. PoincaréEinsteinova synchronizace díky konvenci se jednosměrná rychlost rovná obousměrné rychlosti. Existuje však mnoho modelů s izotropní obousměrnou rychlostí světla, ve kterých je jednosměrná rychlost anizotropní výběrem různých synchronizačních schémat. Jsou experimentálně ekvivalentní speciální relativitě, protože všechny tyto modely zahrnují efekty, jako je dilatace času pohyblivých hodin, které kompenzují jakoukoli měřitelnou anizotropii. Ze všech modelů, které mají izotropní obousměrnou rychlost, je však pro drtivou většinu fyziků přijatelná pouze speciální relativita, protože všechny ostatní synchronizace jsou mnohem komplikovanější a ty ostatní modely (například Lorentzova etherová teorie ) jsou založeny na extrémních a nepravděpodobných předpokladech týkajících se některých dynamických efektů, jejichž cílem je skrýt „preferovaný rámec“ před pozorováním.
Izotropie hmoty, energie a prostoru

Hodinové srovnávací experimenty (periodické procesy a frekvence lze považovat za hodiny), jako například Hughes – Drever experimenty poskytovat přísné testy Lorentzova invariance. Nejsou omezeny na fotonový sektor jako Michelson-Morley, ale přímo určují jakoukoli anizotropii hmoty, energie nebo prostoru měřením základního stavu jádra. Horní hranice těchto anizotropií 10−33 GeV byly poskytnuty. Tyto experimenty tedy patří k nejpřesnějším ověřením Lorentzovy invariance, jaké kdy byly provedeny.[3][4]
Dilatace času a kontrakce délky

The příčný Dopplerův jev a následně byla poprvé v roce přímo pozorována dilatace času Ives – Stilwellův experiment (1938). v moderní experimenty Ives-Stilwell v těžkém iontu úložné kroužky použitím nasycená spektroskopie, maximální naměřená odchylka dilatace času od relativistické predikce byla omezena na ≤ 10−8. Mezi další potvrzení dilatace času patří Mössbauerovy experimenty s rotorem ve kterém gama paprsky byly poslány ze středu rotujícího disku do přijímače na okraji disku, aby bylo možné vyhodnotit příčný Dopplerův efekt pomocí Mössbauerův efekt. Měřením životnosti miony v atmosféře a v urychlovačích částic byla také ověřena časová dilatace pohybujících se částic. Na druhou stranu Hafele – Keatingův experiment potvrdil rozhodnutí paradox dvojčat, tj. že hodiny pohybující se z A do B zpět do A jsou zpomaleny vzhledem k počátečním hodinám. V tomto experimentu však byly účinky obecná relativita hrají také zásadní roli.
Přímé potvrzení o kontrakce délky je v praxi těžké dosáhnout, protože rozměry pozorovaných částic jsou mizivě malé. Existují však nepřímá potvrzení; například chování kolize těžké ionty lze vysvětlit pouze tehdy, když se vezme v úvahu jejich zvýšená hustota způsobená Lorentzovou kontrakcí. Kontrakce také vede ke zvýšení intenzity Coulombovo pole kolmo na směr pohybu, jehož účinky již byly pozorovány. Při provádění experimentů v urychlovačích částic je proto třeba vzít v úvahu dilataci času i délkovou kontrakci.
Relativistická hybnost a energie

Počínaje rokem 1901 byla provedena řada měření, jejichž cílem bylo demonstrovat rychlostní závislost hmotnosti elektrony. Výsledky ve skutečnosti ukázaly takovou závislost, ale přesnost nutná k rozlišení mezi konkurenčními teoriemi byla sporná po dlouhou dobu. Nakonec bylo možné definitivně vyloučit všechny konkurenční modely kromě speciální relativity.
Dnes jsou předpovědi speciální relativity běžně potvrzovány urychlovače částic tak jako Relativistický těžký iontový urychlovač. Například nárůst relativistické hybnost a energie je nejen přesně měřena, ale také nezbytná k pochopení chování cyklotrony a synchrotrony atd., kterými se částice zrychlují blízko rychlosti světla.
Sagnac a Fizeau

Speciální relativita také předpovídá, že dva světelné paprsky pohybující se v opačných směrech kolem rotující uzavřené dráhy (např. Smyčky) vyžadují pro návrat k pohybujícímu se vysílači / přijímači různé letové doby (je to důsledek nezávislosti rychlosti světla na rychlost zdroje, viz výše). Tento efekt byl skutečně pozorován a nazývá se Efekt Sagnac. V současné době je zvážení tohoto efektu nezbytné pro mnoho experimentálních nastavení a pro správné fungování GPS.
Pokud se takové experimenty provádějí v pohyblivých médiích (např. Voda nebo sklo) optické vlákno ), je také nutné vzít v úvahu Fresnelovu koeficient tažení, jak ukazuje Fizeau experiment. Ačkoli byl tento efekt původně chápán jako důkaz téměř stacionárního éteru nebo částečného odporu éteru, lze jej snadno vysvětlit speciální relativitou pomocí zákon o rychlostním složení.
Testovací teorie
Bylo vyvinuto několik testovacích teorií k posouzení možného pozitivního výsledku experimentů s Lorentzovým porušením přidáním určitých parametrů do standardních rovnic. Patří mezi ně rámec Robertson-Mansouri-Sexl (RMS) a Standardní rozšíření modelu (SME). RMS má tři testovatelné parametry s ohledem na délkovou kontrakci a dilataci času. Z toho lze určit jakoukoli anizotropii rychlosti světla. Na druhou stranu SME zahrnuje mnoho Lorentzových parametrů narušení, a to nejen pro speciální relativitu, ale i pro Standardní model a Obecná relativita také; má tedy mnohem větší počet testovatelných parametrů.
Další moderní testy
Vzhledem k vývoji týkajícím se různých modelů Kvantová gravitace v posledních letech jsou odchylky Lorentzovy invariance (pravděpodobně vyplývající z těchto modelů) opět terčem experimentátorů. Protože „místní Lorentzova invariance“ (LLI) platí také ve volně padajících rámcích, experimenty týkající se slabých Princip ekvivalence patří také do této třídy testů. Výsledky jsou analyzovány testovacími teoriemi (jak je uvedeno výše), jako je RMS, nebo, co je důležitější, SME.[3]
- Kromě zmíněných variant experimentů Michelson – Morley a Kennedy – Thorndike, Hughes – Drever experimenty se nadále provádějí pro izotropní testy v EU proton a neutron sektor. Zjistit možné odchylky v elektron sektor, spinově polarizované torzní zůstatky Jsou používány.
- Dilatace času je potvrzena těžce ion úložné kroužky, jako je TSR na MPIK pozorováním Dopplerova jevu lithium a tyto experimenty jsou platné v sektoru elektronů, protonů a fotonů.
- Používají se další experimenty Penningové pasti sledovat odchylky cyklotronový pohyb a Larmorova precese v elektrostatických a magnetických polích.
- Možné odchylky od CPT symetrie (jehož porušení představuje porušení Lorentzovy invariance také) lze určit v experimentech s neutrálem mezony, Penningové pasti a miony viz Testy antihmoty na porušení Lorentze.
- Astronomické testy se provádějí v souvislosti s letovou dobou fotonů, kde by mohly způsobit Lorentzovy rušivé faktory anomální disperze a dvojlom což vede k závislosti fotonů na energie, frekvence nebo polarizace.
- S ohledem na prahová energie vzdálených astronomických objektů, ale také pozemských zdrojů, by Lorentzovo porušení mohlo vést ke změnám standardních hodnot pro procesy vyplývající z této energie, jako je vakuum Čerenkovovo záření nebo úpravy synchrotronové záření.
- Neutrinové oscilace (vidět Lorentzovo narušení neutrinových oscilací ) a rychlost neutrina (vidět měření rychlosti neutrina ) jsou vyšetřováni kvůli možnému porušení Lorentz.
- Dalšími kandidáty na astronomická pozorování jsou Greisen – Zatsepin – Kuzminův limit a Vzdušné disky. Ten je zkoumán, aby se zjistily možné odchylky Lorentzovy invariance, které by mohly vyhnat fotony z fáze.
- Připomínky v EU Higgs sektor probíhá.
Viz také
Reference
- ^ A b C Laub, Jakob (1910). „Über die experimentellen Grundlagen des Relativitätsprinzips“. Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik. 7: 405–463.
- ^ Zhang, Yuan Zhong (1997). Speciální relativita a její experimentální základy. World Scientific. ISBN 978-981-02-2749-4.
- ^ 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.
- ^ A b C Will, C.M (2005). „Speciální relativita: perspektiva stého výročí“. V T. Damour; O. Darrigol; B. Duplantier; V. Rivasseau (eds.). Seminář Poincare 2005. Basilej: Birkhauser. str.33 –58. arXiv:gr-qc / 0504085. Bibcode:2006eins.book ... 33W. doi:10.1007/3-7643-7436-5_2. ISBN 978-3-7643-7435-8. S2CID 17329576.
- ^ A b Roberts, T; Schleif, S; Dlugosz, JM (ed.) (2007). „Jaký je experimentální základ speciální relativity?“. Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Citováno 2010-10-31.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)
- ^ Lodge, Oliver, pane (1909). Éter vesmíru. New York: Harper and Brothers.
- ^ Lämmerzahl, C. (2005). "Speciální relativita a Lorentzova invariance". Annalen der Physik. 517 (1): 71–102. Bibcode:2005AnP ... 517 ... 71L. doi:10.1002 / andp.200410127.
- ^ A b Robertson, H. P. (1949). „Postulát versus pozorování ve speciální teorii relativity“. Recenze moderní fyziky. 21 (3): 378–382. Bibcode:1949RvMP ... 21..378R. doi:10.1103 / RevModPhys.21.378.
- ^ Fox, J. G. (1965), „Evidence Against Emission Theories“, American Journal of Physics, 33 (1): 1–17, Bibcode:1965AmJPh..33 .... 1F, doi:10.1119/1.1971219.
- ^ Martínez, Alberto A. (2004), „Ritz, Einstein a hypotéza emisí“, Fyzika v perspektivě, 6 (1): 4–28, Bibcode:2004PhP ..... 6 .... 4M, doi:10.1007 / s00016-003-0195-6, S2CID 123043585
- ^ Filippas, T. A.; Fox, J.G. (1964). "Rychlost paprsků gama z pohybujícího se zdroje". Fyzický přehled. 135 (4B): B1071-1075. Bibcode:1964PhRv..135.1071F. doi:10.1103 / PhysRev.135.B1071.
- ^ Alväger, T .; Farley, F. J. M .; Kjellman, J .; Wallin, L. (1964), „Test druhého postulátu speciální relativity v oblasti GeV“, Fyzikální dopisy, 12 (3): 260–262, Bibcode:1964PhL .... 12..260A, doi:10.1016/0031-9163(64)91095-9.
- ^ Brecher, K. (1977). "Je rychlost světla nezávislá na rychlosti zdroje?" Dopisy o fyzické kontrole. 39 (17): 1051–1054. Bibcode:1977PhRvL..39.1051B. doi:10.1103 / PhysRevLett.39.1051.
- ^ Fermi LAT Collaboration (2009). „Omezení změny rychlosti světla vznikající z účinků kvantové gravitace“. Příroda. 462 (7271): 331–334. arXiv:0908.1832. Bibcode:2009Natur.462..331A. doi:10.1038 / nature08574. PMID 19865083. S2CID 205218977.