A speciális relativitáselmélet kísérleti igazolása

A speciális relativitáselmélet  egy fizikai elmélet , amely alapvető szerepet játszik minden olyan fizikai jelenség leírásában, amikor a gravitáció elhanyagolható. Kidolgozásában és igazolásában számos kísérlet játszott (és játszik) fontos szerepet. Egy elmélet prediktív ereje abban rejlik, hogy egyedülállóan képes helyesen, nagy pontossággal megszerezni a rendkívül változatos kísérletek eredményeit. E kísérletek közül sokat még mindig egyre nagyobb pontossággal reprodukálnak, és a modern kísérletek a Planck-skálákban és a neutrínó vizsgálatokban várható hatásokra összpontosítanak . Eredményeik összhangban vannak a speciális relativitáselmélet előrejelzéseivel. Különféle tesztek gyűjteményét számos szerző szolgáltatja: Jacob Laub [1] , Zhang [2] , Mattingly [3] , Clifford Will [4] és Roberts/Schleif [5] .

A speciális relativitáselmélet a lapos téridőre korlátozódik , vagyis minden olyan jelenségre, amelynél nincs jelentős gravitáció . Ez utóbbi az általános relativitáselmélet körébe tartozik , és figyelembe kell venni az általános relativitáselmélet vonatkozó tesztjeit .

Kísérletek, amelyek megnyitják az utat a relativitáselmélet előtt

A fényterjedés elmélete a 19. században a világító éter elmélete volt , egy álló közeg, amelyben a fény a levegőben lévő hanghoz hasonló módon terjed. Hasonlatosan ebből az következik, hogy a fény sebessége az éterben minden irányban állandó, és nem függ a forrás sebességétől. Így az éterhez képest mozgó megfigyelőnek egyfajta "éterszelet" kell mérnie, ugyanúgy, ahogy a levegőhöz képest mozgó megfigyelő a látszólagos szelet méri .

Elsőrendű kísérletek

François Arago (1810) munkásságától kezdve optikai kísérletek sorozatát végezték el, amelyek pozitív eredményeket adtak v/c -ben az első rendű mennyiségekre, és amelyek így az éter relatív mozgását mutatták be. Az eredmények azonban negatívak voltak. A magyarázatot Augustin Fresnel (1818) adta egy segédhipotézis, az úgynevezett „ellenállási együttható” felvetésével, vagyis az anyag kis mértékben magával húzza az étert. Ezt az együtthatót Fizeau kísérlete (1851) közvetlenül demonstrálta. Később kiderült, hogy ennek az együtthatónak köszönhetően minden elsőrendű optikai kísérletnek negatív eredményt kell adnia. Ezen kívül néhány elsőrendű elektrosztatikus kísérletet is végeztek, amelyek ismét negatív eredménnyel zárultak. Általában Hendrik Lorenz (1892, 1895) számos új segédváltozót vezetett be a mozgó megfigyelők számára, bemutatva, hogy az elsőrendű optikai és elektrosztatikus kísérletek miért nem adnak eredményt. Például Lorentz javasolt egy helyváltozót, amellyel az elektrosztatikus mezők kioltják a mozgásvonalat, és egy másik változót ("local time"), amely szerint a mozgó megfigyelők időkoordinátái függenek aktuális helyzetüktől [1] .

Másodrendű kísérletek

A stacionárius éter elmélete azonban pozitív eredményeket adna, ha a kísérletek elég pontosak lennének a másodrendű mennyiségek v/c -ben méréséhez . Albert A. Michelson 1881-ben végezte el az első ilyen jellegű kísérletet , majd 1887-ben összetettebb Michelson-Morley méréseket végeztek . Két fénysugár, amelyek egy ideig különböző irányba haladtak, interferencia-mintázattá redukálódott, így az éteri szélhez viszonyított eltérő orientációnak az interferencia peremeinek eltolódásához kellett volna vezetnie . De az eredmény ismét negatív lett. A kiutat ebből a dilemmából George Francis Fitzgerald (1889) és Lorentz (1892) javaslata jelentette, amely szerint az anyag az éterhez képest mozgási vonalban összehúzódik ( hosszúság-összehúzódás ). Vagyis az elektrosztatikus mezők összenyomódásáról szóló régi hipotézist kiterjesztették az intermolekuláris erőkre is. Mivel azonban ennek nem volt elméleti alapja, a tömörítési hipotézist ad hocnak tekintettük .

A Michelson-Morley optikai kísérlet mellett ennek elektrodinamikai megfelelőjét , a Trouton-Noble kísérletet is elvégezték . Így meg kellett mutatnia, hogy a mozgó kondenzátorra nyomatéknak kell hatnia . Ezen túlmenően Rayleigh és Brace kísérletei a hossz-összehúzódás néhány következményének mérésére irányultak a laboratóriumi referenciakeretben, például azt a feltételezést, hogy ez kettős töréshez vezet . Mindezek a kísérletek negatív eredményekhez vezettek. Az 1908-ban végzett Troughton-Rankin kísérlet is negatív eredményt adott a hosszösszehúzódás elektromágneses tekercsre gyakorolt ​​hatásának mérése során [1] .

Annak érdekében, hogy megmagyarázza az 1904 előtt végzett kísérleteket, Lorentz kénytelen volt újra kiterjeszteni elméletét a teljes Lorentz-transzformáció bevezetésével . Henri Poincaré 1905-ben kijelentette, hogy az abszolút mozgás ( relativitás elve ) kimutatásának lehetetlensége természeti törvénynek tűnik.

Teljes éteri őrület cáfolatai

Számos kísérlet cáfolta azt az elképzelést, hogy az étert teljesen a Föld belsejébe vagy annak közelébe vonszolhatná, ami megmagyarázhatja a negatív éter-sodródási kísérleteket.

Lodge a következőképpen fejezte ki azt a paradox helyzetet, amelyben a fizikusok találják magukat: „… szinte lehetetlen sebességgel… az anyagnak [van] bármilyen észrevehető viszkózus kohéziója az éterrel. Az atomoknak képesnek kell lenniük rezgésre késztetni, ha megfelelő sebességgel rezegnek vagy forognak; különben nem bocsátanak ki fényt vagy sugárzást; de semmi esetre sem tűnik úgy, hogy magukkal vonszolják, vagy bármilyen egységes mozgásban ellenállásba ütköznek rajta” [6] .

Speciális relativitáselmélet

Áttekintés

Albert Einstein (1905) végül arra a következtetésre jutott, hogy a megalapozott elméletek és az akkor ismert tények csak akkor alkotnak logikusan koherens rendszert, ha a térről és az időről alkotott elképzeléseket alapvetően felülvizsgálják. Például:

Az eredmény a speciális relativitáselmélet, amely a fénysebesség állandóságán minden inerciarendszerben és a relativitáselméleten alapul . Itt a Lorentz-transzformációk már nem egyszerű alátámasztó hipotézisek, hanem az alapvető Lorentz-szimmetriát tükrözik, és olyan sikeres elméletek alapját képezik, mint a kvantumelektrodinamika . A speciális relativitáselmélet számos tesztelhető előrejelzést kínál, például [7] :

A relativitás elve A fénysebesség állandósága idődilatáció
Egy tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben egyenletesen mozgó megfigyelő nem tudja meghatározni az "abszolút" mozgásállapotát a kísérő kísérleti elrendezés segítségével. Minden tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben a mért fénysebesség minden irányban azonos ( izotrópia ), nem függ a forrás sebességétől, és nem érhető el hatalmas testekkel. Az inerciális vonatkoztatási rendszerben nyugvó két szinkronizált A és B óra között mozgó C óra (=bármilyen periodikus folyamat) sebessége elmarad ettől a két órajeltől.
Más relativisztikus hatások is mérhetők, mint például a hossz-összehúzódás , a Doppler-effektus , az aberráció és a relativisztikus elméletekből, például a standard modellből származó kísérleti előrejelzések.

Alapvető kísérletek

A speciális relativitáselmélet hatásai fenomenológiailag a következő három alapvető kísérletből származtathatók [8] :

Ebből a három kísérletből és a Poincaré-Einstein szinkronizálással a Lorentz-transzformációk következnek  a Lorentz-tényezővel [8] :

A Lorentz-transzformáció levezetése mellett ezeknek a tapasztalatoknak a kombinációja is fontos, mert külön-külön is többféleképpen értelmezhetők. Például az izotrópiával kapcsolatos kísérletek, mint például a Michelson-Morley-kísérletek, a relativitáselv egyszerű következményének tekinthetők, miszerint bármely tehetetlenséggel mozgó megfigyelő nyugalomban lévőnek tekintheti magát. Így maga a Michelson-Morley-kísérlet is kompatibilis a galilei invariáns elméletekkel, például a sugárzáselmélettel vagy a teljes éterhúzási hipotézissel , amelyek egyfajta relativitáselméletet is tartalmaznak. Ha azonban más kísérleteket is figyelembe veszünk, amelyek kizárják a galilei invariáns elméleteket ( például az Yves-Stilwell-kísérletet, az emissziós elméletek különféle cáfolatait és az éter teljes ellenállásának cáfolatait ), akkor a Lorentz-féle invariáns elméletek és ezért a speciális relativitáselmélet marad az egyetlen. elméletek, amelyek életképesnek bizonyulnak.

A fénysebesség állandósága

Interferométerek, rezonátorok

A Michelson-Morley és Kennedy-Thorndike kísérletek modern változatait végezték el a fénysebesség izotrópiájának tesztelésére. A Michelson-Morley kísérletekkel ellentétben a Kennedy-Thorndike kísérletek interferométert használnak különböző hosszúságú karokkal, és a mérések több hónapig tartanak. Így megfigyelhető a különböző sebességek befolyása a Föld Nap körüli keringése során. Lézert , masert és optikai üregeket használnak , amelyek a fénysebesség bármilyen anizotrópiájának lehetőségét 10-17 szintre csökkentik . A földi tesztek mellett a Hold lézeres mérésével is végeztek kísérleteket a Kennedy-Thorndike kísérlet variációjaként [4] .

Az izotrópiakísérlet másik típusa a hatvanas években végzett Mössbauer -rotorkísérletek , amelyek a Doppler-effektus anizotrópiáját egy forgó korongon a Mössbauer-effektus segítségével figyelhetik meg (ezekkel a kísérletekkel idődilatációt is lehet mérni, lásd alább).

Nem függ a forrás sebességétől vagy energiájától

A ballisztikai elméletek , amelyek szerint a fény sebessége a forrás sebességétől függ, elképzelhető, hogy megmagyarázzák az éterszél-kísérletek negatív eredményét. A fénysebesség állandóságát csak az 1960-as évek közepén sikerült végre kísérletileg igazolni, ugyanis 1965-ben J. G. Fox kimutatta, hogy az extinkciós tétel hatásai minden korábbi kísérlet eredményét nem meggyőzővé teszik, ezért összeegyeztethető mindkét speciális relativitáselmélettel. és a ballisztikus relativitáselmélet [9] [10] . A későbbi kísérletek határozottan kizárták a ballisztikus modellt: a legkorábbi Philippas és Fox (1964) [11] mozgó gamma-sugárforrásokat alkalmazó kísérletei voltak, valamint Alweger és munkatársai (1964) [12] , amelyek azt mutatták, hogy a fotonok nem vesznek fel . a gyorsan bomló mezonok sebessége, amelyek forrásuk volt. Ezenkívül Brecher (1977) megismételte a kísérletet a de Sitter kettőscsillag-rendszerrel (1913), figyelembe véve a kihalási tételt, amely szintén kizárja a forrástól való függőséget [13] .

A gamma-kitörések megfigyelései azt is kimutatták, hogy a fény sebessége nem függ a fénysugarak frekvenciájától és energiájától [14] .

Egyirányú fénysebesség

Egyoldali mérések sorozatát végezték el, amelyek mindegyike megerősítette a fénysebesség izotrópiáját [5] . Egyértelműen azonban csak a kétirányú fénysebesség (A-ból B-be és vissza A-ba) mérhető, mivel az egyirányú sebesség az egyidejűség definíciójától és így a szinkronizálás módjától függ. Einstein szinkronizálási konvenciója szerint az egyirányú sebesség egyenlő a kétirányú sebességgel. Azonban sok olyan modell létezik, amelyek izotróp kétirányú fénysebességgel rendelkeznek, amelyekben az egyirányú sebesség anizotrop a különböző időzítési sémák választása miatt. Kísérletileg egyenértékűek a speciális relativitáselmélettel, mivel ezek a modellek tartalmaznak olyan hatásokat, mint például a mozgó órák idődilatációja, amelyek kompenzálnak bármilyen mérhető anizotrópiát. Az izotróp kétirányú sebességű modellek közül azonban a fizikusok túlnyomó többsége számára csak a speciális relativitáselmélet elfogadható, mivel az összes többi szinkronizálás sokkal bonyolultabb, és ezek a modellek (például Lorentz éterelmélete ) alapulnak. szélsőséges és valószínűtlen feltételezések alapján. néhány dinamikus hatás tekintetében, amelyek célja a "preferált vonatkoztatási rendszer" elrejtése a megfigyelés elől.

A tömeg, az energia és a tér izotrópiája

Az óra-összehasonlítási kísérletek (a periodikus folyamatokat és a frekvenciákat óráknak is felfoghatjuk), mint például a Hughes–Drever kísérletek , szigorú kísérleti teszteket nyújtanak a rendszernek a Lorentz-invarianciára . Nem korlátozódnak a foton szektorra, mint a Michelson-Morley kísérletben, hanem közvetlenül meghatározzák a tömeg, az energia vagy a tér anizotrópiáját az atommagok alapállapotának mérésével . Az ilyen anizotrópia felső határa 10-33 GeV . Így ezek a kísérletek a valaha készült legpontosabb Lorentz-invariancia-tesztek közé tartoznak [3] .

Időtágulás és hossz-összehúzódás

A transzverzális Doppler-effektust és ennek következtében az idő dilatációját először Yves-Stilwell (1938) kísérletében figyelték meg közvetlenül . A modern Ives-Stillwell kísérletekben nehézion-tároló gyűrűkben telítési spektroszkópiával , az idődilatáció maximális mért eltérése a relativisztikus előrejelzéstől ≤ 10-8 -ra korlátozódott . Az idődilatáció további bizonyítékai közé tartoznak a Mössbauer-rotorkísérletek , amelyekben a gamma-sugarakat a forgó korong közepétől a korong szélén lévő vevőhöz irányították, így a keresztirányú Doppler-effektust a Mössbauer-effektus segítségével meg lehetett becsülni . A müonok légköri és részecskegyorsítók élettartamának mérésével a mozgó részecskék időbeli dilatációját is tesztelték. Másrészt a Hafele-Keating kísérlet megerősítette az ikerparadoxon feloldását , vagyis azt, hogy az A-ból B-be visszafelé A-ba mozgó óra elmarad az eredeti órától. Ebben a kísérletben azonban az általános relativitáselmélet hatásai is jelentős szerepet játszanak.

A gyakorlatban nehéz közvetlenül megerősíteni a hossz-összehúzódást , mivel a megfigyelt részecskék mérete eltűnőben kicsi. Vannak azonban közvetett bizonyítékok; például az ütköző nehézionok viselkedése csak akkor magyarázható, ha figyelembe vesszük a Lorentz-összehúzódás miatti megnövekedett sűrűségüket. A tömörítés a mozgás irányára merőleges Coulomb térerősség növekedéséhez is vezet, aminek hatásait már megfigyelték. Ezért a részecskegyorsítókkal végzett kísérletek során mind az idődilatációt, mind a hossz-összehúzódást figyelembe kell venni.

Relativisztikus lendület és energia

1901-től kezdődően számos mérést végeztek az elektronok tömegének a sebességtől való függésének kimutatására. Az eredmények valóban mutattak ilyen összefüggést, de a versengő elméletek megkülönböztetéséhez szükséges pontosság régóta vitatott. Végül lehetővé vált az összes versengő modell végleges kizárása, kivéve a speciális relativitáselméletet.

Napjainkban a speciális relativitáselmélet előrejelzéseit rendszeresen megerősítik olyan részecskegyorsítóknál , mint a Relativist Heavy Ion Collider . Például a relativisztikus impulzus és energia növekedése nemcsak mérhető, hanem szükséges is ahhoz, hogy megértsük a ciklotronok , szinkrotronok stb. viselkedését, amelyek révén a részecskék a fénysebességhez közeli sebességre gyorsulnak fel.

Sagnac és Fizeau

A speciális relativitáselmélet azt is megjósolja, hogy a forgó, zárt pályán (mint egy hurok) ellentétes irányba haladó két fénysugárnak különböző repülési időre van szüksége ahhoz, hogy visszatérjen a mozgó kibocsátóhoz/vevőhöz (ez a fénysebesség és a fénysebesség függetlenségének következménye. a forrás sebessége), lásd lent. fent). Ezt a hatást valóban megfigyelték, és Sagnac-effektusnak nevezik . Jelenleg ennek a hatásnak a figyelembe vétele számos kísérleti beállításhoz és a GPS megfelelő működéséhez szükséges .

Ha az ilyen kísérleteket mozgó közegben (például vízben vagy üvegoptikai szálban ) végezzük, a Fresnel légellenállási együtthatót is figyelembe kell venni, amint azt a Fizeau-kísérlet mutatja . Bár ezt a hatást eredetileg a közel álló éter vagy részleges éterellenállás bizonyítékaként értelmezték, könnyen megmagyarázható a speciális relativitáselmélet segítségével a sebességek összeadásának törvénye alapján .

Tesztelméletek

Számos tesztelméletet dolgoztak ki a Lorentz-sértő kísérletek lehetséges pozitív kimenetelének értékelésére, bizonyos paraméterek hozzáadásával a standard egyenletekhez. Ide tartozik a Robertson-Mansouri-Sexl struktúra (RMS) és a Standard Model Extension (SME). Az RMS három ellenőrizhető paraméterrel rendelkezik a hosszcsökkentés és az idődilatáció tekintetében. Innen meg lehet becsülni a fénysebesség bármely anizotrópiáját. Másrészt a SME számos Lorentz-sértési paramétert tartalmaz nemcsak a speciális relativitáselmélet, hanem a standard modell és az általános relativitáselmélet esetében is ; így sokkal több paramétert kell ellenőrizni.

Egyéb modern tesztek

Az utóbbi években a kvantumgravitáció különböző modelljeivel kapcsolatos fejlesztések kapcsán ismét a Lorentz-invarianciától való eltérések (talán ezekből a modellekből fakadóan) váltak a kísérletezők céljául. Mivel a "lokális Lorentz-invariancia" (LLI) a szabadon eső keretekben is érvényesül, a gyenge ekvivalencia elvével kapcsolatos kísérletek is ebbe a tesztcsoportba tartoznak. Az eredményeket olyan tesztelméletek (mint fentebb említettük) segítségével elemzik, mint az RMS vagy ami még fontosabb, a SME [3] .

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 3 Laub, Jakob (1910). „Über die experimentellen Grundlagen des Relativitätsprinzips”. Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik . 7 , 405-463.
  2. ↑ Zhang, Yuan Zhong. Speciális relativitáselmélet és kísérleti alapjai . - World Scientific, 1997. - ISBN 978-981-02-2749-4 .
  3. ↑ 1 2 3 Mattingly, David (2005). "A Lorentz változatlanság modern tesztjei". Élő Rev. rokon . 8 (5):5. arXiv : gr-qc/0502097 . Bibcode : 2005LRR.....8....5M . DOI : 10.12942/lrr-2005-5 . PMID28163649  _ _
  4. ↑ 1 2 Will, CM Speciális relativitáselmélet: Centenáriumi perspektíva // Poincare Seminar 2005  / T. Damour; O. Darrigol; B. duplantier; V. Rivasseau. - Bázel: Birkhauser, 2005. - P.  33-58 . — ISBN 978-3-7643-7435-8 . - doi : 10.1007/3-7643-7436-5_2 .
  5. ↑ 12 Roberts . Mi a speciális relativitáselmélet kísérleti alapja? . Usenet Physics GYIK . Kaliforniai Egyetem, Riverside . Letöltve: 2010. október 31.
  6. ↑ Lodge, Oliver, uram. A tér étere . – New York: Harper and Brothers, 1909.
  7. ↑ Lämmerzahl, C. (2005). "Speciális relativitáselmélet és Lorentz invariancia". Annalen der Physik . 517 (1): 71-102. Bibcode : 2005AnP...517...71L . DOI : 10.1002/andp.200410127 .
  8. ↑ 12 Robertson, HP (1949) . "Posztulátum versus megfigyelés a speciális relativitáselméletben". Szemle a modern fizikáról . 21 (3): 378-382. Bibcode : 1949RvMP...21..378R . DOI : 10.1103/RevModPhys.21.378 .
  9. ↑ Fox, JG (1965), Evidence Against Emission Theories , American Journal of Physics 33. kötet (1): 1–17 , DOI 10.1119/1.1971219. 
  10. ↑ Martínez, Alberto A. (2004), Ritz, Einstein és az emissziós hipotézis , Physics in Perspective 6. kötet (1): 4–28 , DOI 10.1007/s00016-003-0195-6 
  11. ↑ Philippas, T. A. (1964). "A gamma sugarak sebessége mozgó forrásból". Fizikai áttekintés . 135 (4B): B1071–1075. Irodai kód : 1964PhRv..135.1071F . DOI : 10.1103/PhysRev.135.B1071 .
  12. ↑ Alvager, T.; Farley, FJM; Kjellman, J. & Wallin, L. (1964), A speciális relativitáselmélet második posztulátumának tesztje a GeV régióban , Physics Letters 12. kötet (3): 260–262 , DOI 10.1016/0031-9163(64)91095- 9 
  13. ↑ Brecher, K. (1977). "A fénysebesség független a fényforrás sebességétől?" Fizikai áttekintő levelek . 39 (17): 1051-1054. Irodai kód : 1977PhRvL..39.1051B . DOI : 10.1103/PhysRevLett.39.1051 .
  14. ↑ Fermi LAT Collaboration (2009). "A fénysebesség kvantumgravitációs hatásokból eredő változásának korlátja." természet . 462 (7271): 331-334. arXiv : 0908.1832 . Bibcode : 2009Natur.462..331A . DOI : 10.1038/nature08574 . PMID  19865083 .
 A speciális relativitáselmélet kísérleti igazolása
Sebesség/izotrópia
Lorentz invariancia
Időtágulás
Lorentz kontrakció
Energia
Fizeau/Sagnac
Alternatívák
Tábornok