Новая экспериментальная проверка специальной теории icon

Новая экспериментальная проверка специальной теории



НазваниеНовая экспериментальная проверка специальной теории
Дата конвертации28.08.2012
Размер83.86 Kb.
ТипДокументы


Новая экспериментальная проверка специальной теории -

относительности

Дж. П. Седархольм, Ватсоновская лаборатория IBM, проф. Ч.Х.Таунс, Колумбийский университет, Нью-Йорк

A new experimental test of special relativity

J.P.Cedarholm, I.B.M.Watson Laboratory

prof. C.H.Townes, Columbia University, New York


Эксперименты, с помощью которых проверялась специальная теория относительности, обычно предъявляли высокие требования к тщательности и точности для того, чтобы обнаружить и проверить малые отличия между предсказаниями специальной теории относи- тельности и другими альтернативными теориями. Это объясняется тем, что эти отличия умножаются на очень малую величину (v/c)2 , где с - скорость света, a - относительная скорость, которая много меньшие с. Поэтому эксперименты, которые четко выражали поддержку специальной теории относительности перед другими теориями, такими, как простая теория эфира, требовали измерения необычайно малых величин, пропорциональных (/c) с поражающей воображение точностью. Первые эксперименты Майкельсона и Морли [1], например, были необыкновенно точны. Но вся их тщательность была направлена определение изменения длины светового пути на 10-8, происходящего

262

вследствие движения Земли вокруг Солнца, что следовало из теории эфирных течений, и при этом можно было установить верхний предел не менее 1/40 этого значения, или 1/6 орбитальной скорости Земли. Последующие очень тщательные эксперименты подобного типа [2], проведенные полстолетия спустя, установили верхний предел эфирного ветра в 1/20 скорости Земли вокруг Солнца. Другие [3], даже предполагающие существование эфирного ветра, дали не более 1/5 орбитальной скорости Земли. Появление атомных часов, обладающих очень высокой точностью, позволяет еще более повысить точность эк-спериментальных проверок, одна из которых более или менее полно, описана ниже.

В эксперименте сравниваются частоты двух мазерных генераторов [4], излучения молекул аммиака которых направлены в противополож-ные стороны, но оба параллельно ожидаемому направлению движения через эфир. Если оба мазера повернуть на 180° и их частоты снова сравнить, то вследствие движения мазеров сквозь эфир произойдет изме-нение их относительных частот; при этом предполагается, что молеку-лярные вибраторы при таком движении будут неизменными. При сравнении частот может быть достигнута точность 1/10 , но недостаточ-но найти изменение частоты, чтобы утверждать, что верхний предел эфирного ветра найден с точностью до 1 /1000 орбитальной скорости Зем­ли. Эта точность также зависит от ряда других эффектов, которые будут обсуждены ниже.

Эффект влияния на частоту излучения мазерного генератора дви-жения сквозь эфир был впервые разработан Меллером [5 ]. Вкратце, некоторое интуитивное объяснение этого сдвига следующее.
В этом приборе молекулы аммиака в возбужденном состоянии перемещаются с тепловой скоростью вдоль оси круглого цилиндрического канала, отдавая свою энергию. Если канал стационарен относительно эфира, стоячие волны могут рассматриваться как состоящие из движущихся волн с волновыми фронтами почти параллельными оси. Когда молеку-ла движется вдоль оси, допплеровский эффект не возникает. Если же аппарат движется соосно сквозь эфир со скоростью , волновой фронт должен повернуться на угол  = /с, чтобы следовать этой осевой скорости. Следовательно, молекулы, движущиеся со скоростью и через канал, дадут частоту, сдвинутую из-за допплеровского эффекта на величину vua/c = vuv/c2. Здесь  - молекулярная частота. Поскольку u/c зависит от относительного направления u и , два мазера с противоположно направленными лучами должны дать частоты, разность между которыми составит 2u/с2 благодаря этому эффекту.

263


Если каждый из них повернется на 180°, полное изменение их частот-ной разности составит 4u/c2.

Специальная теория относительности предсказывает тот же самый, результат, что и эфирная теория, предсказавшая, что фицжераль-довское сокращение sqrt(1-V22) возникает в некотором отрезке, параллельном движению скорости V сквозь эфир, и что своиство времени в любых часах или генераторе изменяется с тем же самым фактором sqrt(1-V2/c2), благодаря этому движению. Иными словами, некоторый эффект, вызванный движением через эфир, почти компенсируется соответствующими изменениями масштаба длины и времмени, которые отвечают преобразованиям Лоренца. Если, далее, эфирная теория обходится без фицжеральдовского сокращения и замедлеления времени, то ожидаемое изменение частоты может быть найдено из соответствующих изменений длины и времени.

Рассмотрим сначала фицжеральдовское сокращение. Оно очень слабо влияет на частоту генерации мазеров и им можно пренебречь, потому что эта частота практические не чувствительна к изменению размеров и резонансной частоте канала [4].




Но время в реальной лабораторной системе отсчета, которое фик-сировано относительно канала, замедляется коэффициентом:





Следовательно, молекулы должны иметь кажущееся замедление
для наблюдателя в лаборатории, равное разности между этими двумя
величинами или коэффициенту:





Мы видим, однако, что замедление времени окажет влияние. Если канал движется сквозь эфир со скоростью , а молекулы через канал - со скоростью и, то молекулярная скорость движения сквозь эфир соста-

вит V = u+v, и молекулярное время будет замедлено для наблюдателя в системе отсчета эфира на коэффициент:

Первая малая поправка - это хорошо известный допплеровский эффект, он не зависит от эфирного ветра. Вторая малая поправка - это

член uv/c , если мы следуем представлениям о простом эфире, а не

замедлению времени в генерации молекул, как это и постулировано

Меллером в первоначальном обсуждении [5 ].

Из изложенного выше становится ясно, что недостаточность видеть

некоторое изменение во временном эквиваленте малой составляющей части величины uv/c2 может быть объяснена и без допущения замедле-ния времени для тех, кто хочет придерживаться теории эфира с такими особенностями. Следовательно, эксперимент более близок к экс- перименту Кеннеди-Торндайка [6], чем Майкельсона и Морли. Нуле-вой результат Майкельсона и Морли нуждается, конечно, только в привлечении понятия фицжеральдовского сокращений для его объяс-нения.

Для выполнения нашего эксперимента два аммиачных лучевых

мазера с противоположным направлением лучей были смонтированы на раме, которая вращалась вокруг вертикальной оси. Частоты этих| генераторов составляли примерно 23.870 мГц. Тепловая скорость и = 0,6 км/с для NH3 при комнатной температуре. Если орбитальная скорость Земли предположительно и есть скорость движения сквозь эфир, то  = 30 км/с, а изменение частоты составит 4и/c2 = 20 Гц, когда мазеры повернутся на 180° от первоначальной позиции восток-| запад в полдень или в полночь.

В изменениях относительной частоты двух мазеров случайные флуктуации составили около 1/10 Гц. На протяжении продолжительного периода, требуемого для проведения измерений, до и после поворота .средняя частота изменилась не более, чем на 1/50 Гц или на 1/1012 . Следовательно, вариации в 20 Гц, ожидаемые из эфирной теории, должны быть легко обнаруживаемы.. В самом деле, были отмечены вариации около 1 Гц при вращении двух мазеров. Однако эти вариации могут быть устранены с помощью магнитной защиты мазеров, но без экранировки оставалась константа около 1/50 Гц при повороте Земли на 1 об. в течение 24 ч. Это показывает, что сдвиг не более 1/50 Гц может быть приписан эфирному ветру.

Эксперимент с использованием вращения двух мазеров был тща-•тельно выполнен в начале дня 20 сентября 1958 г. [7]. Не было зарегистрировано никакого эффекта, превышающего 1 /50 Гц. Следо-вательно, поскольку орбитальной скорости Земли 30 км/с должно со-ответствовать изменение частоты в 20 Гц, эфирный ветер не мог быть большим, чем 1/1000 от этой величины или 30 м/с. Конечно, возмож-но, что движение Земли было скомпенсировано в это время года дви-жением Солнечной системы сквозь эфир. Поэтому эксперимент был

265


повторен в Ватсоновской лаборатории в течение 24-часовых оборотов на протяжении почти трехмесячного интервала в течение года. Но ни на одном из этих оборотов не было получено эффекта, превышающего 1/50 Гц.

Настоящий эксперимент установил верхний предел скорости эфирного ветра около 1/50 той, которая следовала из предшествующих экспериментов. Такая часть определена тем, что измеренный эффшИЁ
линеен относительно скорости эфирного ветра . Эксперимент же типа эксперимента Майкельсона-Морли рассчитан на частичное изменение величины 2/2с2, которая по порядку больше, чем величина u/с2, обсуждаемая здесь. Верхний предел в 1/400 2/2c2 установлен очень тщательно экспериментами Джуса [2 ] с интерферометром Майкельсона. Однако, поскольку это член второго порядка относительно , верхний предел, установленный для скорости эфирного ветра, есть 1/20 орбитальной скорости Земли или 1,5 км/с. Настоящие же экс-перименты имеют то преимущество, что ожидаемый эффект пропорционален , а также то, что двое часов могут теперь сравниваться с много большей точностью, чем два расстояния. Этот эксперимент, вклю-чающий сравнение двух мазерных генераторов с точностью 1/1012 , быть, является наиболее точным экспериментом из всех, до сих пор опи-санных.

Для большинства физиков подтверждение постулатов специаль-ной теории относительности об отсутствии абсолютного движения мо-жет и не являться сюрпризом, и более точная экспериментальная проверка может быть даже не важна, потому что этот постулат воспринимается интуитивно удовлетворительно и признается вполне правильным. Нужно, однако, заметить, что положительный эффект в данном эксперименте мог бы дать новую информацию без необходи-мости изменения основных принципов теории относительности. Скорость движения Земли включает в себя скорость относительно других частей Солнечной системы, так же как и относительно непод-вижных звезд и внешних галактик. Следовательно, это относительное движение может, в принципе, создать некоторую анизотропию в пространстве и некоторый сдвиг относительно частоты двух мазеров когда они поворачиваются на 180°.

Дике предположил [8 ], что эффект, производимый движением по отношению к неподвижным массам Вселенной, должен существовать реально, но он может иметь порядок тонкой структурной константы , уменьшая влияние эфирного ветра. Это соответствует частотному сдвигу в настоящем эксперименте порядка 1/7 Гц. Причины, излагае-

266

мне Дике, по которым такой сдвиг может существовать, спекулятивны, но очень интересны. Настоящие результаты не дали сдвига более 1 /50 Гц, который несколько отличается по порядку от величины Au/c2.

Оптические мазерные генераторы должны также сами по себе представлять интерес для экспериментов по специальной теории отно-сительности, поскольку с их помощью, вероятно, можно будет проверять такие изменения в длине, как 1/1012. Оптический мазерный генератор может быть сконструирован с резонансом между двумя эта-лонными пластинами, которые ближе по частоте, чем атомный резонанс энергий. В этом случае частота должна зависеть от расположения пластин и будет стабильнее, чем в атомных частотах. Установлено, что генератор будет монохроматическим в пределах 1/1011. Это предполагает эксперимент, в котором генерации от двух оптических мазеров образуют биение в фотоэлементе. Один из мазеров может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Если исходить из теории эфира, частота биения должна изменяться на величину ±v2/2c2 по тем же самым причинам, что и в эксперименте Майкель-сона-Морли, что предполагалось увидеть как изменение в длине опти-ческого пути. Составляющая 2/c2 есть 10-8, так что это может быть обнаружено в настоящее время с отличной точностью.

Список литературы

  1. Michelson A.A., Morley E.W. // АшегJ.Scl. 1887. Vol.34. P.333.

  2. Joos G. // Ann. Phys. 1930. Vol. 7. P.385.

  3. Miller D.C. // Revs. Mod. Phys. 1933. Vol.5. P.203.

See, however, Shankland R.S., McCuscey S.W., Leone F.C., Kuerti G. // Ibid. 1955. |VoI.27.P.167.

  1. Gordon J.P., Zeiger H J., Townes C.H. //Phys. Rev. 1955. Vol.99. P. 1264.

  2. MoIIer C. // Nuovo Cimento. 1957. Vol.6. Supp. P.381.

  3. Kennedy RJ., Thorndike E.M. // Phys. Rev. 1932. Vol.42. P.400.

  4. Cedarholm J.P., Bland G.F., Havens B.L., Townes C.H. // Phys. Rev. Let. 1958.
    IVol.l.P.342.

  5. Dicke R.H. // Proc. Symp. Quantum Electronics. Columbia Univ. Press. 1960.

  6. Schawlow A.1-, Townes C.H. // Phys. Rev. 1958. Vol. 112. P. 1940.

Nature. October 31. 1959. VoL184, №4696. P.1350-1351.




Похожие:

Новая экспериментальная проверка специальной теории iconНовая экспериментальная проверка специальной теории относительности
Дж. П. Седархольм, Г. Ф. Бланд, Б. Л. Хавенс, Ватсоновская лаборатория при Колумбийском университете, Нью-Йорк; Ч. Х. Таунс, отделение...
Новая экспериментальная проверка специальной теории iconОбнаружение влияния движения земли на аберрацию электромагнитных волн от геостационарного спутника новая проверка специальной теории относительности штырков Е. И. 420110, Казань,, Бр. Касимовых 64-45, Россия, sht99@mail ru
Обнаружение влияния движения земли на аберрацию электромагнитных волн от геостационарного спутника новая проверка специальной теории...
Новая экспериментальная проверка специальной теории iconРоузвер Н. Т. Перигелий меркурия от леверье до эйнштейна м.: Мир, 1985, – фрагменты из книги, см полный вариант на сайте
Вальтером Ритцем, умершим в 1909 г. С началом XX в возникла и стала развиваться новая физика. Стало очевидным фундаментальное значение...
Новая экспериментальная проверка специальной теории iconHttp://sciteclibrary ru/rus/catalog/pages/9672. html
Причина популярности Специальной Теории Относительности – в ее простоте и доступности: о псевдоповерхностных дисперсионных поляритонах...
Новая экспериментальная проверка специальной теории iconС. 38, Гл. 1, §8 Некоторые экспериментальные факты, лежащие в основе специальной теории относительности Майкельсон мог бы обнаружить «эфирный ветер»
Гл. 1, §8 Некоторые экспериментальные факты, лежащие в основе специальной теории относительности
Новая экспериментальная проверка специальной теории icon1. Введение Системы на основе продукционных баз знаний
Эволюционное проектирование электронных и электрических цепей новая область научных исследований, базирующаяся на исследованиях в...
Новая экспериментальная проверка специальной теории iconЭкспериментальная проверка закона сохранения импульса
В настоящее время самый «старый» и хорошо исследованный раздел физики – механика вновь привлекает внимание многих исследователей...
Новая экспериментальная проверка специальной теории iconРазвитие электродинамики в ХХ веке происходило в основном в рамках специальной теории относительности (сто) и квантовой механики
Для этой теории является характерным не обобщение и логическая проработка всех известных опытных данных, а опора главным образом...
Новая экспериментальная проверка специальной теории iconА. М. Бонч-Бруевич и В. А. Молчанов статья
Описана экспериментальная установка и приведены результаты сравнения времени прохождения фиксированного пути светом, излучённым правым...
Новая экспериментальная проверка специальной теории iconР. Г. Ньюбург Кембриджские научно-исследовательские лаборатории военно-воздушных сил
Угловое распределение излучения, испускаемого релятивистскими электронами в синхротроне, было теоретически рассчитано Швингером на...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов