Hughes és Drever kísérletei (óra-összehasonlítás, tömegizotrópia vagy energiaizotrópia kísérletek is) a tömeg- és térizotrópia spektroszkópiai vizsgálatai . Bár eredetileg a Mach-elv tesztjeként fogták fel, ma már a Lorentz-változatlanság fontos tesztjeként értelmezik . A Michelson-Morley-kísérlethez hasonlóan itt is tesztelhető egy preferált vonatkoztatási rendszer vagy egyéb eltérések a Lorentz-invarianciától, ami szintén befolyásolja az ekvivalencia elv érvényességét . Így ezek a kísérletek mind a speciális , mind az alapvető szempontokat érintik általános relativitáselmélet . A Michelson-Morley típusú kísérletekkel ellentétben Hughes és Drever kísérletei magának az anyagnak, azaz a protonoknak , neutronoknak és elektronoknak a kölcsönhatásának izotrópiáját tesztelik . Az elért pontosság teszi ezt a fajta kísérletet a relativitáselmélet egyik legpontosabb megerősítésévé (lásd még : Speciális relativitáselmélet ) [A 1] [A 2] [A 3] [A 4] [A 5] [A 6 ] .
Giuseppe Cocconi és Edwin Ernest Salpeter (1958) azt javasolta, hogy a tehetetlenség a környező tömegektől függ a Mach-elvnek megfelelően . Így az anyag egyenetlen eloszlása a tehetetlenség különböző irányú anizotrópiájához vezetne . A heurisztikus érvek arra késztették őket, hogy elhiggyék, hogy a tehetetlenség bármely anizotrópiája esetén, ha van ilyen, a Tejútrendszer galaxisunk középpontjából származó tömeges hozzájárulás dominálna . Azzal érveltek, hogy ezt az anizotrópiát kétféleképpen lehet megfigyelni: az atomban hasadó Zeeman mérésével [1] vagy a gerjesztett magállapotban felhasadó Zeeman mérésével. 57
Fe a Mössbauer-effektus felhasználásával [2] .
Vernon W. Hughes és munkatársai (1960) [3] és Ronald Drever (1961) [4] egymástól függetlenül hasonló spektroszkópiai kísérleteket végeztek a Mach-elv tesztelésére. Azonban nem a Mössbauer-effektust alkalmazták, hanem mágneses rezonancia méréseket végeztek a lítium - 7 magon , amelynek alapállapota spinje 3⁄2 . Az alapállapot négy egyenlő távolságra lévő mágneses energiaszintre bomlik, ha mágneses térben mérjük a megengedett mágneses kvantumszámoknak megfelelően . A különböző energiaszintekhez tartozó atomhullámfüggvények eltérő térbeli eloszlással rendelkeznek a mágneses térhez képest, ezért eltérő iránytulajdonságokkal rendelkeznek. Ha tömegizotrópia figyelhető meg, akkor a szomszédos szintek párja közötti minden átmenetnek azonos frekvenciájú fotont kell kibocsátania, ami egyetlen éles spektrumvonalat eredményez. Másrészt, ha a tehetetlenség irányfüggő, háromszoros vagy kiszélesített rezonanciavonalat kell megfigyelni. Drever kísérletének 24 órás változata során a Föld forog, és a mágneses mező tengelye az ég különböző részeit fedte le. Drever különös figyelmet fordított a spektrumvonal viselkedésére, amikor a mágneses tér keresztezi a galaxis középpontját [A 7] . Sem Hughes, sem Drever nem észlelt frekvenciaeltolódást az energiaszintekben, és kísérleteik nagy pontossága miatt a maximális anizotrópia 0,04 Hz = 10 -25 GeV értékre korlátozható .
Robert H. Dicke (1961) a nulla eredmény Mach-elvre gyakorolt hatásait illetően kimutatta, hogy összhangban van ezzel az elvvel, ha a térbeli anizotrópia minden részecske esetében azonos. Így a nulla eredmény inkább azt mutatja, hogy a tehetetlenségi anizotrópia hatásai, ha léteznek, minden részecske esetében univerzálisak, és lokálisan nem figyelhetők meg [5] .
Bár ennek a kísérletnek a motivációja a Mach-elv tesztelése volt, azóta a Lorentz-változatlanság és így a speciális relativitáselmélet elfogadott tesztjévé vált . Ennek oka az a tény, hogy anizotrópia hatások jelentkeznek egy preferált és Lorentz-sértő vonatkoztatási rendszer jelenlétében is, amelyet általában a CMB nyugalmi kerettel egyfajta világító éterként azonosítanak (relatív sebesség kb. 368 km/s). . Ezért a Hughes- és Drever-kísérletek negatív eredményei (valamint a Michelson-Morley-kísérletek ) kizárják egy ilyen vonatkoztatási rendszer létezését. Különösen a Lorentz-változatlanság megsértésére irányuló Hughes- és Drever-teszteket gyakran írja le a speciális relativitáselmélet , amelyet Clifford Will terjesztett elő . E modell szerint a Lorentz-invariancia megsértése az előnyben részesített vonatkoztatási rendszerek jelenlétében eltérésekhez vezethet a tömeges részecskék maximális elérhető sebessége és a fénysebesség között. Ha eltérőek lennének, az anyag kölcsönhatásainak tulajdonságai és gyakorisága is megváltozna. Ezenkívül az általános relativitáselmélet ekvivalenciaelvének alapvető következménye, hogy a Lorentz-invariancia lokálisan teljesül a szabadon mozgó vonatkoztatási rendszerekben (lokális Lorentz-invariancia). Ez azt jelenti, hogy a kísérlet eredményei mind a speciális, mind az általános relativitáselméletre vonatkoznak [A 1] [A 2] .
Mivel különböző frekvenciákat („órákat”) hasonlítanak össze, ezeket a kísérleteket óra-összehasonlítási kísérleteknek is nevezik [A 3] [A 4] .
A Lorentz-invarianciának az előnyben részesített vonatkoztatási rendszer vagy a Mach-elven alapuló hatások miatti megsértésein kívül a Lorentz-invariancia és a CPT-szimmetria spontán megsértését is keresik , amelyeket különféle kvantumgravitációs modellek előrejelzései motiválnak, amelyek feltételezik a létezésüket. Hughes és Drever kísérleteinek modern változatait végezték el a Lorentz-invariancia és a CPT-invariancia lehetséges megsértésének tanulmányozására neutronokban és protonokban . A spin-polarizált rendszerek és komagnetométerek (a mágneses hatások elnyomására) alkalmazása jelentősen növelte e kísérletek pontosságát és érzékenységét. Ezenkívül az [A 5] [A 6] elektronikai szektort spin-polarizált torziós mérleg segítségével is tesztelték .
Mindezek a kísérletek eddig negatív eredménnyel zárultak, így semmi jele nincs előnyben részesített referenciarendszernek vagy a Lorentz-sértés bármely más formájának. Az alábbi táblázatban szereplő értékek a Standard Model Extension (SME) által adott együtthatókra vonatkoznak, amely egy gyakran használt hatékony mezőelmélet a Lorentz-invariancia lehetséges megsértésének értékelésére (lásd még a többi speciális relativitáselméletet). Ennélfogva a Lorentz-invarianciától való bármilyen eltérés specifikus együtthatókkal társítható. Mivel ezekben a kísérletekben számos együtthatót tesztelnek, csak a maximális érzékenység értékét adjuk meg (a pontos adatokat lásd a külön cikkekben): [A 3] [A 8] [A 4] .
| Szerző | Év | KKV korlátozások | Leírás | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Proton | Neutron | Elnetron | |||
| Prestage et al. [6] | 1985 | 10 −27 | Magátmenet összehasonlítása spin-flippel9 Legyen benne a Penning Trap és a Neutral Hydrogen Radio Link . | ||
| Phillips [7] | 1987 | 10 −27 | Egy keresztirányban polarizált mágnest hordozó kriogén torziós inga harmonikus rezgéseit vizsgálták. | ||
| Lamoreaux et al. [nyolc] | 1989 | 10 −29 | Dipólus és kvadrupólus spin polarizációt indukáltunk201 Hg pár, amelynél kvadrupol energiaeltolódásokat figyeltek meg. | ||
| Chupp és mtsai. [9] | 1989 | 10 −27 | A Zeeman-szintek időfüggő kvadrupólusos felosztását tanulmányozzuk. gázok21 Ne és3 A spincsere polarizálja és összehasonlítja. | ||
| Wineland et al. [tíz] | 1991 | 10 −25 | Az anomális dipól-monopól és dipól-dipól csatolásokat a hiperfinom rezonanciák vizsgálatával vizsgálják.9 Legyen . | ||
| Berglund et al. [tizenegy] | 1995 | 10 −27 | 10-30 _ | 10 −27 | A 199 Hg és a 133 Cs frekvenciákat mágneses térben hasonlították össze. |
| Bear et al. [12] | 2000 | 10 −31 | A gyakoriságokat összehasonlították129 Xe és3 Ő egy mágneses térben. | ||
| Phillips et al. [13] | 2000 | 10 −27 | A hidrogénmaser Zeeman-frekvenciája. | ||
| Humphrey et al. [tizennégy] | 2003 | 10 −27 | 10 −27 | Hasonlóan Phillips és mtsai. (2000). | |
| Cane et al. [tizenöt] | 2004 | 10 −32 | Hasonlóan Bear et al. (2000). | ||
| Wolf és mtsai. [16] | 2006 | 10 −25 | Az atomi frekvenciákat lézerhűtéses atomi szökőkutak segítségével mérik133 Cs . | ||
| Heckel et al. [17] | 2006 | 10-30 _ | Az Alnicóban négy , az Sm 5 Co -ban négy szekciós torziós ingát használtak . | ||
| Heckel et al. [tizennyolc] | 2008 | 10 −31 | Hasonlóképpen Heckel és mtsai. (2006). | ||
| Brown és mtsai. [19] | 2010 | 10 −32 | 10 −33 | Gyakorisági összehasonlítás K /3 Ő komagnetométer. | |
| Smiciklas et al. [húsz] | 2011 | 10 −29 | A frekvenciák összehasonlítása in21 Ne / Rb / K komagnetométer. Az elérhető legnagyobb neutronsebesség ellenőrzése. | ||
| Peck és mtsai. [21] | 2012 | 10-30 _ | 10 −31 | Hasonlóan, Berglund et al. (1995). | |
| A speciális relativitáselmélet kísérleti igazolása | |
|---|---|
| Sebesség/izotrópia | |
| Lorentz invariancia |
|
| Időtágulás Lorentz kontrakció |
|
| Energia |
|
| Fizeau/Sagnac | |
| Alternatívák | |
| Tábornok |
|