Тестови на специјалната релативност

Специјалната релативност е физичка теорија која има основна улога во описот на сите физички појави, сè додека гравитацијата не е значајна. Многу експерименти имале (сè уште имаат) важна улога во нејзиниот развој и оправдливост. Силата на теоријата лежи во нејзината особена способност правилно да го предвиди со висока прецизност резултатот од исклучително разновидни опсег на експерименти. Многу повторувања на тие експерименти сè уште се вршат со постојано зголемена прецизност, со модерни експерименти кои се фокусираат на ефектите како што се на Планкова и во секторот на неутриното . Нивните резултати се во согласност со предвидувањата на специјалната релативност. Колекција од разлицни виодови тестови беа дадени од страна на Јакоб Лауб,^[1] Жанг,^[2] Матингли,^[3] Клифорд Вил,^[4] и Робертс/Шлиф.^[5]

Специјалната релативност е ограничена до Минковскиевиот време-простор, односно, на сите појави без значително влијание на гравитацијата. Вториот се наоѓа во доменот на општата релативност и мора да се разгледаат тестовите на општата релативност .

Експерименти кои го отвораат патот кон релативноста

Доминантната теорија на светлината во 19 век била дека на светлосениот етер, постојан медиум во кој светлината се шири на начин сличен на ширењето на звукот низ воздухот. По аналогија, следи дека брзината на светлината е константна во сите правци во етерот и не зависи од брзината на изворот. На тој начин набљудувачот кој се движи во однос на етерот мора да измери некој вид "ветер на етерот" дури и кога набљудувачот се движи во однос на воздухот, што е очигледно ветер.

Експерименти од прв ред

Физоов опит, 1851 година.

Со почетокот на работата на Франсоа Араго (1810), биле спроведени серија оптички експерименти , кои требале да дадат позитивни резултати за величини на првиот ред во v/c и на тој начин требало да го покаже релативното движење на етерот. Сепак резултатите беа негативни. Беше обезбедено објаснување од страна на Огистен Френел (1818) со воведување на помошни хипотези, т.н. "коефициент на влечење", што е,прашање за влечење на етерот до мал степен. Овој коефициент е директно демонстриран од експериментот Физо (1851). Подоцна се покажа дека сите оптички експерименти од прв ред мора да дадат негативен резултат кои се должи на овој коефициент. Покрај тоа, исто така, беа спроведени некои електростатички експерименти од прв ред, кои повторно имаа негативни резултати. Генерално, Хендрик Лоренц (1892, 1895 г.) воведе неколку нови помошни променливи за набљудувачи во движење, покажувајќи зошто сите оптички експерименти од прв вид и електростатичките експерименти изведоа нулти резултати. На пример, Lorentz предложил локација-променлива со која електростатички полиња се во линија на движење и друга променлива ("local time") со кој временските координати за движење на набљудувачите зависи од нивната моментална локација.^[1]

Експерименти од втор вид

Мајклсон-Морлиев интерферометар

Стационарната теорија на етер, сепак, ќе даде позитивни резултати кога експериментите се доволно прецизни за да се измерат величини од втор ред во v/c. Алберт Мајкелсон спроведе прв експеримент од ваков вид во 1881, проследен со повеќе софистицираниот Мајкелсон-Морлиев обид во 1887 година. Два светлосни зрака, кои патуваат некое време во различни насоки беа донесени до мешање, така што различни ориентации во однос на етеровиот ветер кој треба да доведе до поместување на пречките на брановата интерференција. Но резултатот повторно беше негативен . Патот за излез од оваа дилема беше предлогот од страна на Џорџ Френсис Фицџералд (1889) и Лоренц (1892), што е важно да договорената линија на движење е во однос на етерот (контракција на должина). Тоа е, постарата хипотеза за контракција на електростатичките полиња која беше проширена на меѓумолекулските сили. Сепак, бидејќи не постои теоретска причина за тоа, хипотезата за контракција се сметала за ад хок.

Покрај оптичкиот Мајкелсон-Морлиевиот обид, својата електродинамичка противвредност, исто така, беше спроведена преку, Троутон-Ноблов опит. Со тоа би требало да се докаже дека подвижниот кондензатор мора да биде подложен на вртежен момент. Покрај тоа, Рејли-Брејсовите опити се наменети за мерење на некои последици од контракција на должината во лабораториската рамка, на пример претпоставката дека тоа ќе доведе до дволомност. Иако сите тие експерименти доведоа до негативни резултати. ( Trouton–Rankine експеримент спроведен во 1908, исто така, даде негативен резултат кога се мери влијанието на контракцијата на должината на електромагнетни серпентина.)^[1]

За да се објаснат сите експерименти спроведени пред 1904 година, Лоренц бил принуден повторно да се прошири неговата теорија со воведување на целосна Лоренцова трансформација. Анри Поенкаре во 1905 година прогласил, дека неможноста на демонстрацијата на апсолутно движење (принцип на релативност) е очигледно закон на природата.

Рефундирање на комплетно етерско влечење

Lodge е етер машина. Челичните дискови беа едена јарда во пречник. Бела светлина беше поделена со зрак сплитер и вртеше трипати околу апаратот пред повторно обединување за да формираат ремени.

Идејата дека етерот може да биде целосно повлечен во рамките на или во околината на Земјата, со кој може да се објаснат негативните експерименти на етер, беше побиено од страна на голем број експерименти.

• Оливер Лоџ (1893 година), открил дека брзиот вител на челични дискови над и под чувствителен заеднички пат интерферометарски аранжман не успеа да произведе мерлива промена.
• Густав Хамар (1935) не успеа да најде никакви докази за етерското влечење користејќи заеднички пат интерферометар, една рака на кој беше затворена со дебели ѕидови цевка вклучена со олово, додека другата рака беше слободна.
• Sagnac ефект покажа дека брзината на два светлосни зраци е непроменета од ротацијата на платформата.
• Постоењето на аберација на светлината било неконзистентно со хипотезата на влечење етер.
• Претпоставката дека влечење етер е пропорционално на масата и на тој начин се случува во однос на Земјата како целина беше побиено од страна на Michelson–Gale–Pearson експеримент, кој го покажа Sagnac ефектот преку движење на Земјата.

Лоџ изрази парадоксална ситуација во која физичарите се најдоа: "...без никаква практична брзина... било значително вискозниот зафат врз етер. Атомите мора да бидат во можност да го фрлат во вибрации, ако тие осцилираат или се вртат со доволна брзина, во спротивно тие нема да емитираат светлина или каков било вид на зрачење; но во никој случај не се појававуваат за да го повлечат заедно со нив, или да се сретнат со отпор во секое движење низ него."^[6]

Специјална релативност

Преглед

Конечно , Алберт Ајнштајн (1905) извлече заклучок дека утврдените теории и факти познати во тоа време формираат само логички кохерентен систем кога концептите на просторот и времето се предмет на една темелна ревизија. На пример:

• Електродинамика на Максвел-Лоренц (независноста на брзината на светлината од брзината на изворот),
• негативните етер експерименти (нема приоритетна референтна рамка),
• Подвижен магнет и проводен проблем (само релативното движење е релевантно),
• Физоов експеримент и аберација на светлината (двата, што значи изменета брзина и не довршено влечење етер).

Резултатот е теоријата на специјална релативност, која е заснована на константноста на брзината на светлината во сите инерцијални референтни рамки и на приницпот на релативност. Тука, Лоренцовата трансформација повеќе не е само збирка на помошни хипотези, но одразува фундаментално значење на Лоренцовата симетричност и претставува основа за успешни теории како што е Квантна електродинамика. Специјалната релативност нуди голем број на предвидувања за тестирање, како што се:^[7]

Принципот на релативноста	Константност на брзината на светлината	Временско издолжување
Секој рамномерен подвижен набљудувач во инерцијалната рамка не може да ја утврди неговата "апсолутна" состојба на движење од страна на движечките експериментални аранжмани.	Во сите инерцијални рамки имзерената брзина на светлината е еднаква во сите насоки (изотропија), независно од брзината на изворот и не може да се постигне од страна на масивни тела.	Стапката на часовникот C (= каков било периодичен процес) патувајќи меѓу два синхронизирани часовници А и Б во мирување во инерцијална рамка е ретардардиран во однос на двата часовници.
Исто така и други релативистички ефекти како што се контракција на должината, Доплеров ефект,аберации и експериментални предвидувања на релативистички теории како и Стандардниот Модел кој може да се мери.

Фундаментални експерименти

The Kennedy–Thorndike експеримент

Ефектите на специјалната релативност може да бидат феноменолошки добиени од следниве три фундаментални експерименти:^[8]

• Мајкелсон-Морлиев обид, со што зависноста на брзината на светлината на правецот на уредот за мерење може да се тестира. Таа ја воспоставува врската помеѓу надолжните и попречните должини на подвижните тела.
• Kennedy–Thorndike експеримент, со што зависноста на брзината на светлината на брзината на уредот за мерење може да се тестира. Со тоа се утврдува односот помеѓу надолжни должини и времетраењето на времето на движење на телата.
• Ајвс-Стилвелов опит, со кое временско издолжување директно може да се тестира.

Од овие три експерименти и со користење на  Poincaré-Einstein синхронизација, следи комплетната трансформација на Лоренц, со ${\displaystyle \gamma =1/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$ е Лоренцовиот фактор:^[8]

${\displaystyle x'=\gamma (x-vt),\ y'=y,\ z'=z,\ t'=\gamma \left(t-{\frac {vx}{c^{2}}}\right)}$

Покрај деривација на Лоренцовата трансформација, комбинацијата на овие експерименти е исто така важна, бидејќи тие може да се толкуваат на различни начини кога се гледаат поединечно. На пример,експериментите на изотопија како Мајкелсон-Морлиевиот експеримент може да се види како проста последица на принципот на релативност, според кој секој инертен подвижен набљудувач може да се сметаа себеси како во мирување. Затоа, од самиот себе, Мајкелсон-Морлиевиот експеримент е компатибилен на Галилејски-инвариантни теории како емисиона теорија или хипотеза на целосно влечење етер, која исто така содржи некој вид принцип на релативност. Сепак, кога се разгледуваат други експерименти кои ги исклучуваат Галилејски-инвариантните теории (односно експериментот на Ives–Stilwell,разни разговори на емисионите теории и прекршување на целосно влечење етер), Лоренц-инвариантните теории и со тоа специјалната релативност е единствената теорија која останува одржлива.

Константност на брзината на светлината

Интерферометри, резонатори

Мајкелсон-Морлиев експеримент со криогенски оптички резонатори на формата како што биле користени од  страна на Милер(2003), видете во Неодамнешни оптички резонантни обиди

Модерните варијанти на Мајкелсон-Морлиевиот и Kennedy–Thorndike експерименти биле спроведени со цел да се тестира изотопијата на брзината на светлината. Спротивно на Мајкелсон-Морлиевиот и Kennedy–Thorndike експерименти користи различни должини на раката, а евалуациите траат неколку месеци. На тој начин, влијанието на различни брзини за време на Земјината орбита околу Сонцето може да се набљудува. Ласер, масер и оптички резонатори се користат, ја намалуваат можноста за било која анизотропија на брзината на светлината до 10⁻¹⁷ ниво. Во прилог на копнените тестови,за  експериментите за рангирање на месечевите ласери, исто така се спроведоа како варијација на Kennedy-Thorndike експерименти.^[4]

Друг тип експерименти на изотопија се Ајвс-Стилвеловите експерименти во 1960-тите, со која анизотропијата на доплер ефектот на вртечки диск може да се забележи со користењето на Ајвс-Стилвеловиот ефект (оние експерименти, исто така може да бидат искористени за да се измери дилатација на времето).

Независност од изворот на брзина или енергија

Де Ситерови опити со двојни ѕвезди, подоцна се повтори со Brecher разгледувајќи ја теоријата за исчезнување.

Емисиона теорија, според кои брзината на светлината зависи од брзината на извор, може разбирливо да се објасни негативниот исход на експериментите на етер. Тоа не беше до средината на 1960-тите дека константноста на брзината на светлината беше дефинитивно покажана со експеримент, од 1965 година, Џ. Г. Фокс покажа дека сите претходни ефекти од теоремата на изумирање донеле резултати на сите претходно направени експерименти , и затоа е компатибилен со специјална релативност и емисиона теорија.^[9][10] More recent experiments have definitely ruled out the emission model: the earliest were those of Filippas and Fox (1964),^[11] со користење на подвижни извори на гама-зраци, и Alväger et al. (1964),^[12] кој покажа дека фотоните не се стекна со брзината на мезоните со распаѓање со голема брзина, кои беа нивниот извор. Покрај тоа, Де Ситерови опити со двојни ѕвезди (1913) се повторува со Brecher (1977) земајќи ја предвид теоремата за истребување, исто така ја отфрли изворната зависност.^[13]

Набљудувањата на експлозиите на гама-зраците, исто така, покажаа дека брзината на светлината е независна од честотата и енергијата на светлосните зраци.^[14]

Еднонасочна брзина на светлина

Беа преземени низа еднонасочни мерења, од кои сите ја потврдија изотопијата на брзината на светлината. Сепак, треба да се забележи дека само двонасочната брзина на светлината (од А до В назад до А) може недвосмислено да се мери, бидејќи еднонасочната брзина зависи од дефиницијата на истовремена и затоа на методот на синхронизација. Конвенцијата за синхронизација на Понкаре-Ајнштајн ја прави еднонасочната брзина еднаква на двонасочната брзина. Сепак, постојат многу модели кои имаат изотопска двонасочна брзина на светлина, во која еднонасочната брзина е анизотропна со избирање различни шеми за синхронизација. Тие експериментално се еквивалентни на специјалната релативност бидејќи сите овие модели вклучуваат ефекти како временска дилатација на движечките часовници, кои ја компензираат секоја мерлива анизотропија. Меѓутоа, кај сите модели кои имаат изотопска двонасочна брзина, само специјалната релативност е прифатлива за огромното мнозинство на физичари, бидејќи сите други синхронизации се многу покомплицирани и оние други модели (како што е лорент етерската теорија) се засноваат на екстремни и неверојатни претпоставки во врска со некои динамички ефекти, чија цел е да се скрие "најпосакуваната рамка" од набљудување.

Изотропија на маса, енергија и простор

⁷Li-NMR спектар на LiCl (1M) во D₂К. Остра, нестабилна NMR линија на овој изотопот на литиум е доказ за изотропија на маса и просторот.

Експериментите за споредба на часовници (периодични процеси и честоти може да се сметаат за часовници), како што експериментите на Хјуз-Древер обезбедуваат строги тестови на Лоренц инвариантност. Тие не се ограничени само на секторот на фотони како Мајклсон-Морли, туку директно ја одредуваат секоја анизотропија на маса, енергија или простор со мерење на основната состојба на јадрата. Доставена е горната граница на таквите анизотропии од 10-33 ГЕВ. Така, овие експерименти се меѓу најпрецизните проверки на Лоренц некогаш спроведени.

Временска дилатација и контракција на должина

Ives–Stilwell експеримент (1938).)

Попречниот доплеров ефект и следствено временската дилатација беше директно забележан за првпат во експериментот Ивс-Стилвел (1938). Во модерните експерименти соИвс-Стилвел во тешките јонски прстени за складирање со заситена спектроскопија, максималното измерено отстапување на временската дилатација од релативистичкото предвидување е ограничено на ≤ 10-8. Други потврди за временска дилатација вклучуваат експерименти на Mössbauer ротор во кои гама-зраците беа испратени од средината на вртечкиот диск на приемник на работ на дискот, така што попречниот доплеровски ефект може да се оцени со помош на ефектот на Mössbauer. Со мерење на животниот век на мјуони во атмосферата и во акцелераторите на честички, беше потврдена и временската дилатација на честички што се движат. Од друга страна, експериментот Хафеле-Китинг го потврди двојниот парадокс, односно дека часовникот што се движи од А кон В назад кон А е ретардиран во однос на почетниот часовник. Меѓутоа, во овој експеримент ефектите од општата релативност играат важна улога.

Директна потврда за контракција на должината е тешко да се постигне во пракса, бидејќи димензиите на набљудуваните честички се исчезнато мали.. Сепак, постојат индиректни потврди; на пример, однесувањето на судир на тешкијони може да се објасни само ако се разгледа нивната зголемена густина поради контракцијата на Лоренц. Контракцијата, исто така, доведува до зголемување на интензитетот на кулоновското поле нормално на правецот на движење, чии ефекти веќе се забележани.Следствено, мора да се земе во обзир и времена дилатација и контракција на должина при спроведување на експерименти во акцелераторите на честички.

Релативистички импулс и енергија

Експериментална поставеност на Bucherer за мерење на специфичниот полнеж e / m на β-електроните како функција на нивната брзина v / c. (Пресек преку оската на кружен кондензатор со бета-извор во центарот, под агол α во однос на магнетното поле H)

Денес, предвидувањата за специјалната релативност се рутински потврдени во акцелераторите на честички, како што е релативистичкиот тежок јонски кошар. На пример, зголемувањето на релативистичкиот импулс и енергија не само што се прецизно мерени, туку и се потребни за да се разбере однесувањето на циклотроните и синхротроните итн., со што честичките се забрзуваат во близина на брзината на светлината.

Сагнак и Физо

Оригиналниот Sagnac interferometer

Специјалната релативност, исто така, предвидува дека два светлосни зраци кои патуваат во спротивни насоки околу вртежната затворена патека (на пример, јамка) бараат различно време на летање за да се вратат на движечкиот емитер / приемник (ова е последица на независноста на брзината на светлината од брзината на изворот, видете погоре). Овој ефект всушност бил забележан и се нарекува ефект на Сагнак. Во моментов, разгледувањето на овој ефект е неопходно за многу експериментални поставувања и за правилно функционирање на GPS.

Ако таквите експерименти се спроведуваат во медиумите што се движат (на пример, водата или стаклените оптички влакна), исто така е неопходно да се земе предвид коефициентот на влечење на Fresnel како што е демонстрирано со експериментот на Физо. Иако овој ефект првично беше сфатен како доказ за речиси стационарен етер или делумно етерско влечење, лесно може да се објасни со специјална релативност со користење назаконот за состав на брзина.

Тест теории

Неколку теории за тестови беа развиени за да се процени можниот позитивен исход во експериментите за прекршување на Лоренц со додавање на одредени параметри во стандардните равенки. Тие вклучуваат рамка на Робертсон-Мансури-Секс (RMS) и продолжување на стандардниот модел (МСП). RMS има три параметри што може да се тестираат во однос на контракцијата на должината и временската дилатација. Од тоа, секоја анизотропија на брзината на светлината може да се процени. Од друга страна, МСП вклучува многу параметри за прекршување на Лоренц, не само за специјална релативност, туку и за стандардниот модел и општата релативност; така што има многу поголем број на параметри за тестирање.

Други модерни тестови

Поради случувањата во врска со различните модели на квантната гравитација во последниве години, отстапувањата од Лоренцовата инвариантност (веројатно следуваат од тие модели) повторно се мета на експерименталисти. Бидејќи "локалната лоренцова инвариантност" (LLI), исто така, има во рамки на слободно паѓање, експериментите во врска со слабиот принцип на еквивалентност припаѓаат и на оваа класа на тестови.. Резултатите се анализира со тест теории (како што е споменато погоре) RMS или, уште поважно, од страна на МСП.

• Освен наведените варијации на експериментите на Микелсон-Морли и Кенеди-Торндике, експериментите на Хјуз-Древер продолжуваат да се изведуваат за изотопски тестови во секторот на протони и неутрони. За да се откријат можните отстапувања во електронскиот сектор, се користени спин-поларизираните торзиони баланси.
• Дилатацијата на времето се потврдува во прстени со тешкијони, како TSR на MPIK, со набљудување на доплеровскиот ефект на литиум, и тие експерименти се валидни во секторот на електрони, протони и фотони.
• Другите експерименти ги користат стапиците на Penning за да ги набљудуваат отстапувањата на циклотронското движење и Ларморската прецесија во електростатичките и магнетните полиња.
• Можни отстапувања од симетријата на КПТ (чие кршење претставува и повреда на лоренц инваријансата) може да се утврди во експерименти со неутрални мезони, стапици на Penning и мјуони, видете ги Антиматерните тестови на Лоренц.
• Астрономските тестови се спроведуваат во врска со времето на летање на фотоните, каде што факторите за прекршување на Лоренц може да предизвикаат аномална дисперзија и дволомност што доведува до зависност на фотоните на енергија, честота или поларизација.
• Во однос на прагот на енергија на далечните астрономски објекти, но исто така и на копнени извори, нарушувањата на Лоренц би можеле да доведат до промени во стандардните вредности за процесите што следат од таа енергија, како што е вакуумското черенковско зрачење или модификациите на синхротронното зрачење.
• Неутринските осцилации (види Lorentz-нарушување на неутринските осцилации) и брзината на неутрините (видимерења на брзина на неутрино) се испитуваат за можни Лоренцови повреди.
• Другите кандидати за астрономски набљудувања се Грајсен-Зацепин-Кузмин и Ери дисковите. Вториот е испитан за да се најдат можни отстапувања на Лоренцовата инваријанса кои би можеле да ги одведат фотоните од фаза.
• Во тек се набљудувања во секторотХигс.

Поврзано

• Тестови на општата релативност
• Историја на специјалната релативност
• Пробни теории на специјалната релативност

Наводи

1. Laub, Jakob (1910). „Über die experimentellen Grundlagen des Relativitätsprinzips“. Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik. 7: 405–463.
2. Zhang, Yuan Zhong (1997). Special Relativity and Its Experimental Foundations. World Scientific. ISBN 978-981-02-2749-4.
3. Mattingly, David (2005). „Modern Tests of Lorentz Invariance“. Living Rev. Relativ. 8 (5).
4. Will, C.M (2005). „Special Relativity: A Centenary Perspective“. Во T. Damour; O. Darrigol; B. Duplantier; V. Rivasseau (уред.). Poincare Seminar 2005. Basel: Birkhauser. стр. 33–58. arXiv:gr-qc/0504085. Bibcode:2006eins.book...33W. doi:10.1007/3-7643-7436-5_2.
5. Roberts, T; Schleif, S; Dlugosz, JM (ed.) (2007). „What is the experimental basis of Special Relativity?“. Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Посетено на 2010-10-31.CS1-одржување: излишен текст: список на автори (link)
6. Lodge, Oliver, Sir (1909). The Ether of Space. New York: Harper and Brothers.
7. Lämmerzahl, C. (2005). „Special Relativity and Lorentz Invariance“. Annalen der Physik. 517 (1): 71–102. Bibcode:2005AnP...517...71L. doi:10.1002/andp.200410127.
8. Robertson, H. P. (1949). „Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity“. Reviews of Modern Physics. 21 (3): 378–382. Bibcode:1949RvMP...21..378R. doi:10.1103/RevModPhys.21.378.
9. 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.
10. Martínez, Alberto A. (2004), „Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis“, Physics in Perspective, 6 (1): 4–28, Bibcode:2004PhP.....6....4M, doi:10.1007/s00016-003-0195-6
11. Filippas, T.A.; Fox, J.G. (1964). „Velocity of Gamma Rays from a Moving Source“. Physical Review. 135 (4B): B1071-1075. Bibcode:1964PhRv..135.1071F. doi:10.1103/PhysRev.135.B1071.
12. Alväger, T.; Farley, F. J. M.; Kjellman, J.; Wallin, L. (1964). „Test of the second postulate of special relativity in the GeV region“. Physics Letters. 12 (3): 260–262. arXiv:0908.1832. Bibcode:1964PhL....12..260A. doi:10.1016/0031-9163(64)91095-9. PMID 19865083.
13. Brecher, K. (1977). „Is the speed of light independent of the velocity of the source“. Physical Review Letters. 39 (17): 1051–1054. Bibcode:1977PhRvL..39.1051B. doi:10.1103/PhysRevLett.39.1051.
14. Fermi LAT Collaboration (2009). „A limit on the variation of the speed of light arising from quantum gravity effects“. Nature. 462 (7271): 331–334. arXiv:0908.1832. Bibcode:2009Natur.462..331A. doi:10.1038/nature08574. PMID 19865083.