Дж. П. Седархольм, Ч. Х. Таунс. Новая экспериментальная проверка специальной теории относительности. 1959 г.

Материал из Эфирный ветер

Перейти к: навигация, поиск


Новая экспериментальная проверка специальной теории относительности. Дж. П. Седархольм, Ч. Х. Таунс (1959)
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 относительности и другими альтернативными теориями. Это объясняется тем, что эти отличия умножаются на очень малую величину ~(v/c)^2, где ~c — скорость света, a ~v — относительная скорость, которая много меньше ~c. Поэтому эксперименты, которые четко выражали поддержку специальной теории относительности перед другими теориями, такими, как простая теория эфира, требовали измерения необычайно малых величин, пропорциональных ~(v/c)^2 с поражающей воображение точностью. Первые эксперименты Майкельсона и Морли [1], например, были необыкновенно точны. Но вся их тщательность была направлена на определение изменения длины светового пути на 10 − 8, происходящего 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 экспериментальных проверок, одна из которых более или менее полно описана ниже.

В эксперименте сравниваются частоты двух мазерных генераторов [4], излучения молекул аммиака которых направлены в противоположные 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 изменение их относительных частот; при этом предполагается, что молекулярные вибраторы при таком движении будут неизменными. При сравнении частот может быть достигнута точность 1 / 1012, но недостаточно 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 движения сквозь эфир были 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 молекула движется вдоль оси, допплеровский эффект не возникает. Если же аппарат движется соосно сквозь эфир со скоростью ~v, волновой фронт должен повернуться на угол ~\alpha=v/c, чтобы следовать этой осевой скорости. Следовательно, молекулы, движущиеся со скоростью ~u через канал, дадут частоту, сдвинутую из-за допплеровского эффекта на величину ~\nu u \alpha/c = \nu u v / c^2. Здесь ~\nu — молекулярная частота. Поскольку ~\nu u v / c^2 зависит от относительного направления ~u и ~v, два мазера с противоположно направленными лучами должны дать частоты, разность между которыми составит ~2uv\nu/c^2 благодаря этому эффекту.

Если каждый из них повернется на 180°, полное изменение их частотной разности составит ~4uv\nu/c^2.

Специальная теория относительности предсказывает тот же самый результат, что и эфирная теория, предсказавшая, что фицжеральдовское сокращение ~\sqrt{1-V^2/c^2} возникает в некотором отрезке, параллельном движению скорости ~V сквозь эфир, и что свойство времени в любых часах или генераторе изменяется с тем же самым фактором ~\sqrt{1-V^2/c^2}, благодаря этому движению. Иными словами, некоторый эффект, вызванный движением через эфир, почти компенсируется соответствующим изменением масштаба длины и времени, которые отвечают преобразованиям Лоренца. Если далее эфирная теория обходится без фицжеральдовского сокращения и замедления 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].

Мы видим, однако, что замедление времени окажет влияние. Если канал движется сквозь эфир со скоростью ~v, а молекулы через канал — со скоростью ~u, то молекулярная скорость движения сквозь эфир составит ~V=u+v, и молекулярное время будет замедлено для наблюдателя в системе отсчета эфира на коэффициент

~\sqrt{1-\frac{(u+v)^2}{c^2}} 
\approx 
1-\frac{u^2}{2c^2} - \frac{uv}{c^2} - \frac{v^2}{c^2}.

Но время в реальной лабораторной системе отсчета, которое фиксировано относительно канала, замедляется коэффициентом

~\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}
\approx
1-\frac{v^2}{2c^2}.

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

~1-\frac{u^2}{2c^2}-\frac{uv}{c^2}

Первая малая поправка — это хорошо известный допплеровский эффект, он не зависит от эфирного ветра. Вторая малая поправка — это член ~uv / c^2, 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 / c^2 может быть объяснена и без допущения замедления времени для тех, кто хочет придерживаться теории эфира с такими особенностями. Следовательно, эксперимент более близок к эксперименту Кеннеди-Торндайка [6], чем Майкельсона и Морли. Нулевой результат Майкельсона и Морли нуждается, конечно, только в привлечении понятия фицжеральдовского сокращения для его объяснения.

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 ~u = 0,6 км/с для NH3 при комнатной температуре. Если орбитальная скорость Земли предположительно и есть скорость движения сквозь эфир, то ~v = 30 км/с, а изменение частоты составит ~4uv\nu/c^2 = 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 1/10 . Следовательно, вариации в 20 Гц, ожидаемые из эфирной теории, должны быть легко обнаруживаемые 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 тщательно выполнен в начале дня 20 сентября 1958 г. [7]. Не было зарегистрировано никакого эффекта, превышающего 1/50 Гц. Следовательно, поскольку орбитальной скорости Земли 30 км/с должно соответствовать изменение частоты в 20 Гц, эфирный ветер не мог быть большим, чем 1 /1000 от этой величины или 30 м/с. Конечно, возможно, что движение Земли было скомпенсировано в это время года движением Солнечной системы сквозь эфир. Поэтому эксперимент был 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 эффект линеен относительно скорости эфирного ветра ~v. Эксперимент же типа эксперимента Майкельсона-Морли рассчитан на частичное изменение величины ~v^2/2c^2, которая по порядку больше, чем величина ~uv/c^2, обсуждаемая здесь. Верхний предел в ~1/400 ~ v^2/2c^2 установлен очень тщательно экспериментами Джуса [2] с интерферометром Майкельсона. Однако, поскольку это член второго порядка относительно ~v, верхний предел, установленный для скорости эфирного ветра, есть 1/20 орбитальной скорости Земли или 1,5 км/с. Настоящие же эксперименты имеют то преимущество, что ожидаемый эффект пропорционален ~v, а также то, что двое часов могут теперь сравниваться с много большей точностью, чем два расстояния. Этот эксперимент, включающий сравнение двух мазерных генераторов с точностью ~1/10^{12}, может быть, является наиболее точным экспериментом из всех, до сих пор описанных.

Для большинства физиков подтверждение постулатов специальной теории относительности об отсутствии абсолютного движения может 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 необходимости изменения основных принципов теории относительности. Скорость движения Земли включает в себя скорость относительно других частей Солнечной системы, так же как и относительно неподвижных 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 а, уменьшая влияние эфирного ветра. Это соответствует частотному сдвигу в настоящем эксперименте порядка 1/7 Гц. Причины, излагаемые 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 ~4\alpha u v \nu / c^2.

Оптические мазерные генераторы должны также сами по себе представлять интерес для экспериментов по специальной теории относительности, 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 эталонными 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 \pm v^2\nu/2c^2 по тем же самым причинам, что и в эксперименте Майкельсона-Морли, что предполагалось увидеть как изменение в длине оптического пути. Составляющая ~v^2/c^2 есть 10 − 8, так что это может быть обнаружено в настоящее время с отличной точностью.[9]

[править] Список литературы

  1. Michelson A.A., Morley E.W. // Amer. J.Sci. 1887. Vol.34. P.333.
  2. 2,0 2,1 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., McCuseey S.W., Leone F.C., Kuerti G. // Ibid. 1955. Vol.27. P.167.
  4. 4,0 4,1 Gordon J.P., Zeiger H.J. Townes C.H. //Phys. Rev. 1955. Vol.99. P. 1264.
  5. 5,0 5,1 Moller С. // Nuovo Cimento. 1957. Vol.6. Supp. P.381.
  6. Kennedy R.J., Thorndike E.M. // Phys. Rev. 1932. Vol.42. P.400.
  7. Cedarholm J.P., Bland G.F., Havens B.L., Townes C.H. // Phys. Rev. Let. 1958. Vol.1. P.342.
  8. Dicke R.H. // Proc. Symp. Quantum Electronics. Columbia Univ. Press. 1960.
  9. Schawlow A.L., Townes C.H. // Phys. Rev. 1958. Vol. 112. P. 1940.

Nature. October 31. 1959. Vol.184, № 4696. P.1350-1351.


Из сборника «Эфирный ветер». Сб. статей/Под ред. — В.А.Ацюковского. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — 288 с. — ISBN 5-283-04990-6; М.: Энергоатомиздат, 2011. 419 с. ISBN 978-5-283-03319-8 - Скачать в формате PDF 33,8 Мб.

Эфирный ветер. ПредисловиеДж.К.Максвелл, 1877Дж.К.Максвелл, 1879А.Майкельсон, 1881А.А.Майкельсон, Э.В.Морли, 1887Э.В.Морли и Д.К.Миллер, Лорду Кельвину, 1904Э.В.Морли, Д.К.Миллер, 1905А.Эйнштейн об эфиреА.А.Майкельсон, 1925А.А.Майкельсон, Генри Г.Гель, при участии Ф.Пирсона, 1925Д.К.Миллер, 1925А.К.Тимирязев, 1926Д.К.Миллер, 1926А.К.Тимирязев, 1927Рой Дж. Кеннеди, 1926К. К. Иллингворт, 1927 • Конференция в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г. (Введение 1 2 3 4 5 6 7 8) • Е.Стаэль, 1926А.Пиккар, Е.Стаэль, 1927А.А.Майкельсон, Ф.Г.Пис и Ф.Пирсон, 1929Ф.Г.Пис, 1930 • Д.К.Миллер, 1933 (Часть 1 Часть 2) • Г.Йоос, Д.К.Миллер, 1934Дж.П.Седархольм и др., 1958Дж.П.Седархольм, Ч.Х.Таунс, 1959Ю.М.Галаев, 2011Е.И.Штырков, 2007В.А.Ацюковский. Эфирный ветер: проблема, ошибки, задачиПараметры эфира в околоземном пространстве

Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Сборник «Эфирный ветер»
Инструменты