Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Релятивистік уақыттың өзгеруін сынау
Test of relativistic time dilation
Хафеле-Китинг эксперименті – салыстырмалылық теориясын сынау болды. 1971 жылы физик Джозеф Хафеле және астроном Ричард Китинг төрт цезий сәулелі атомдық сағатты коммерциялық авиалайнерлерге алып барды. Олар әлемді екі рет айналып, бірінші шығысқа, содан кейін батысқа қарай ұшты және қозғалыстағы сағаттарды АҚШ Әскери-теңіз обсерваториясындағы тұрақты сағаттармен салыстырды. Қайта қосылғанда, сағаттардың үш жинағы бір-бірімен келіспейтіні анықталды, ал олардың айырмашылықтары арнайы және жалпы салыстырмалылық теориясының болжамдарымен сәйкес келді.
The Hafele–Keating experiment was a test of the theory of relativity. In 1971, Joseph C. Hafele, a physicist, and Richard E. Keating, an astronomer, took four caesium beam atomic clocks aboard commercial airliners. They flew twice around the world, first eastward, then westward, and compared the clocks in motion to stationary clocks at the United States Naval Observatory. When reunited, the three sets of clocks were found to disagree with one another, and their differences were consistent with the predictions of special and general relativity.
Кинематикалық уақыт дилатациясы
Арнайы салыстырмалылық теориясына сәйкес, сағаттың бағыты сағатқа қатысты тыныш тұрған бақылаушы үшін ең жоғары болады. Сағат тыныш емес координаттық жүйеде, Лоренц коэффициентімен көрсетілгендей, баяу жүреді. Бұл құбылыс, уақыттың созылуы деп аталады, арнайы салыстырмалылық теориясының көптеген тәжірибелерінде расталды, мысалы, Айвс-Стилвелл тәжірибесі және басқалары. Жер орталығына қатысты тыныш тұрған координаттық жүйеде Хафеле-Китинг тәжірибесін қарастыратын болсақ (өйткені бұл инерциялық жүйе), Жердің айналу бағытында шығысқа қарай ұшқан ұшақтағы сағат, жерде қалған сағатқа қарағанда жоғары жылдамдыққа ие болды (бұл уақыттың салыстырмалы жоғалуына әкелді), ал Жердің айналуына қарсы батысқа қарай ұшқан ұшақтағы сағат жердегі сағаттан төмен жылдамдыққа ие болды.
According to special relativity, the rate of a clock is greatest according to an observer who is at rest with respect to the clock. In a frame of reference in which the clock is not at rest, the clock runs more slowly, as expressed by the Lorentz factor. This effect, called time dilation, has been confirmed in many tests of special relativity, such as the Ives–Stilwell experiment and others. Considering the Hafele–Keating experiment in a frame of reference at rest with respect to the center of the Earth (because this is an inertial frame), a clock aboard the plane moving eastward, in the direction of the Earth's rotation, had a greater velocity (resulting in a relative time loss) than one that remained on the ground, while a clock aboard the plane moving westward, against the Earth's rotation, had a lower velocity than one on the ground.
Тарихи және ғылыми негіздер
1905 жылы арнайы салыстырмалылық теориясы туралы алғашқы мақаласында Альберт Эйнштейн теорияны тексерудің мүмкіндігін ұсынды: "Осыдан біз экватордағы серіппелі сағат, басқа жағдайлар бірдей болғанда, полюстердің бірінде орналасқан дәл осындай сағатқа қарағанда өте аз мөлшерде баяурақ жүруі керек деген қорытындыға келеміз". Шын мәнінде, қазір Жер бетіндегі теңіз деңгейінде орналасқан барлық сағаттар ендікке қарамастан бірдей жылдамдықпен жүретіні белгілі, себебі кинематикалық және гравитациялық уақыттың өзгеруінің (дилатациясының) әсерлері өзара жойылады (Жер бетінің эквипотенциалды екенін ескере отырып). Кинематикалық әсер 1938 жылы Ивс-Стилвелл экспериментімен және 1940 жылы Росси-Холл экспериментімен расталды. Жалпы салыстырмалылық теориясының гравитациялық әсерді болжауы 1959 жылы Паунд пен Ребкамен расталды. Дегенмен, бұл эксперименттерде субатомдық бөлшектер қолданылды, сондықтан олар Эйнштейннің бастапқы көзқарасындағы нақты сағаттармен өлшеуге қарағанда тікелей болмады. Сент-Луис қаласындағы Вашингтон университетінің физика профессоры Хафеле физикалық лекцияға дайындық жүргізіп жатқанда, коммерциялық авиалайнердегі атомдық сағаттың болжамды релятивистік әсерлерді анықтауға жеткілікті дәлдігі болуы керектігін көрсететін, қағаздың артына жасалған есептеулерді жүргізді. Ол мұндай эксперимент үшін қаржыландыру алуға бір жыл бойы сәтсіз тырысты, содан кейін осы тақырыпта сөйлегеннен кейін Китингпен кездесті. Китинг – АҚШ Әскери-теңіз обсерваториясының астрономы, атомдық сағаттармен жұмыс істейтін. Бұл жалпы салыстырмалылық теориясын тексерудің ең арзан тәжірибелерінің бірі болды. Бұл соманың 7600 доллары сегіз рет әлемді айналып ұшқан билеттерге жұмсалды, оның ішінде әр рейсте "Мистер Сағат" үшін екі орын болды. Олар шығысқа қарай әлемді айналып ұшты, бір апта бойы сағаттарды қатар қойып жүргізді, содан кейін батысқа қарай ұшты. Әр рейстің экипажы теориямен салыстыру үшін қажетті навигациялық деректерді ұсынып көмектесті. "Science" журналында жарияланған ғылыми мақалалардан басқа,
In his original 1905 paper on special relativity, Albert Einstein suggested a possible test of the theory: "Thence we conclude that a spring clock at the equator must go more slowly, by a very small amount, than a precisely similar clock situated at one of the poles under otherwise identical conditions." Actually, it is now known that all clocks located at sea level on the Earth's surface tick at the same rate, regardless of latitude, because kinematic and gravitational time dilation effects cancel out (assuming that Earth's surface is an equipotential one). The kinematic effect was verified in the 1938 Ives–Stilwell experiment and in the 1940 Rossi–Hall experiment. General relativity's prediction of the gravitational effect was confirmed in 1959 by Pound and Rebka. These experiments, however, used subatomic particles, and were therefore less direct than the type of measurement with actual clocks as originally envisioned by Einstein. Hafele, an assistant professor of physics at Washington University in St. Louis, was preparing notes for a physics lecture when he did a back of the envelope calculation showing that an atomic clock aboard a commercial airliner should have sufficient precision to detect the predicted relativistic effects. He spent a year in fruitless attempts to get funding for such an experiment, until he was approached after a talk on the topic by Keating, an astronomer at the United States Naval Observatory who worked with atomic clocks. for one of the most inexpensive tests ever conducted of general relativity. Of this amount, $7600 was spent on the eight round the world plane tickets, including two seats on each flight for "Mr. Clock." They flew eastward around the world, ran the clocks side by side for a week, and then flew westward. The crew of each flight helped by supplying the navigational data needed for the comparison with theory. In addition to the scientific papers published in Science,
Қайталау
Осыған ұқсас күрделі әрі нақты экспериментті Мэриленд университетінің зерттеу тобы 1975 жылдың қыркүйегі мен 1976 жылдың қаңтары аралығында жүргізді. Үш атомдық сағат Мэриленд штатындағы Чесапик шығанағынан 10 км биіктікке көтерілді, ал тағы үш атомдық сағат жерде қалды. Жылдамдық әсерін азайту үшін секундына 500 км жылдамдықпен ұшатын турбовинтті ұшақ пайдаланылды. Ұшақтың орны мен жылдамдығы радар арқылы секунд сайын өлшеніп, тұрақты түрде бақыланды. Әрқайсысы 15 сағатқа созылған бес ұшу орындалды. Сағаттарды тербелістерден, магниттік өрістерден және температура өзгерістерінен қорғау үшін арнайы контейнерлер қолданылды. Уақыт айырмашылығы ұшу алдында және кейін жердегі сағаттарды тікелей салыстыру арқылы, сондай-ақ ұшу кезінде 0,1 нс ұзақтықтағы лазерлік импульстермен өлшенді. Бұл сигналдар ұшаққа жіберіліп, кері қайтарылып, жердегі стансада қабылданды. Уақыт айырмашылығы ұшу кезінде байқалды, ал кейін талданды. Жалпы айырмашылық 47,1 нс құрады, оның ішінде жылдамдық әсері -5,7 нс, ал гравитациялық әсер 52,8 нс болды. Бұл нәтиже шамамен 1,6% дәлдікпен теориялық болжамдармен сәйкес келеді. Ұлттық физикалық зертхана 1996 жылы, алғашқы эксперименттің 25 жылдығына орай, Лондоннан Вашингтонға және кері бағытта ұшу кезінде дәлірек атомдық сағаттарды пайдаланып, экспериментті қайта жасады. Нәтижелер жоғары дәрежеде тексерілді. Салыстырмалық теория бойынша болжамдалған 39,8 нс-қа қарағанда 39 нс уақыт ұзарту байқалды. 2010 жылдың маусым айында Ұлттық физикалық зертхана экспериментті тағы да қайталады, бұл жолы әлемді шарлап (Лондон – Лос-Анджелес – Окленд – Гонконг – Лондон). Болжамдалған мән 246, өлшенген мән 230 болды. Хафле-Китинг эксперименті үнемі жақсарылып келе жатқан әдістермен қайталанғандықтан, 1970-жылдардан бері физиктер арасында гравитациялық және кинематикалық әсерлердің уақытқа қатысты теориялық болжамдары нақты расталғандығы туралы консенсус қалыптасқан. Экспериментке қатысты сын-ескертпелер нәтижелерді одан әрі дәл әдістермен тексеруді ескермеді және олардың қателік екені анықталды.
A more complex and precise experiment of this kind was performed by a research group at the University of Maryland between September 1975 and January 1976. Three atomic clocks were brought to an altitude of 10 km above Chesapeake Bay in Maryland, and three other atomic clocks were at the ground. A turboprop plane was used, flying at only 500 km/h, in order to minimize the velocity effect. The plane was steadily observed using radar, and its position and velocity were measured every second. Five flights were carried out, each of 15 hours duration. Special containers protected the clocks from external influences such as vibrations, magnetic fields, or temperature variations. The time difference was measured by direct clock comparison at the ground before and after the flight, as well as during the flight by laser pulses of 0.1 ns duration. Those signals were sent to the plane, reflected, and again received at the ground station. The time difference was observable during the flight, before later analysis. An overall difference of 47.1 ns was measured, which consisted of the velocity effect of −5.7 ns and a gravitational effect of 52.8 ns. This agrees with the relativistic predictions to a precision of about 1.6%. A reenactment of the original experiment by the National Physical Laboratory took place in 1996 on the 25th anniversary of the original experiment, using more precise atomic clocks during a flight from London to Washington, D. C. and back again. The results were verified to a higher degree of accuracy. A time gain of 39 was observed, compared to a relativistic prediction of 39.8 ns. In June 2010, the National Physical Laboratory again repeated the experiment, this time around the globe (London Los Angeles Auckland Hong Kong London). The predicted value was 246, the measured value 230. Because the Hafele–Keating experiment has been reproduced by increasingly accurate methods, there has been a consensus among physicists since at least the 1970s that the relativistic predictions of gravitational and kinematic effects on time have been conclusively verified. Criticisms of the experiment did not address the subsequent verification of the result by more accurate methods, and have been shown to be in error.
Атомдық сағаттармен ұқсас тәжірибелер
Iijima және басқалар тек гравитациялық әсерді өлшеуді жүргізді. 1975 және 1977 жылдар аралығында. Олар саудадағы цезийлі сағатты Митакадағы Жапонияның ұлттық астрономиялық обсерваториясынан, теңіз деңгейінен жоғары, Норикура корона станциясына, теңіз деңгейінен жоғары алып жүрді, бұл биіктік айырмашылығына сәйкес келеді. Сағат Митакада болған кезде ол басқа цезийлі сағатпен салыстырылды. Өлшенген жылдамдық өзгеруі (29±1,5)×10−14 болды, бұл жалпы салыстырмалылық теориясы болжаған 30,7×10−14 нәтижесімен сәйкес келеді. 1976 жылы Бриаторе мен Лесшиутта екі цезийлік сағаттың жылдамдығын салыстырды, біреуі Туринде теңіз деңгейінен жоғары, екіншісі Плато Розада теңіз деңгейінен жоғары орналасқан. Салыстыру VHF теледидар синхрондау импульстерінің және LORAN C тізбегінің келу уақытын бағалау арқылы жүргізілді. Болжалған айырмашылық 30,6 нс/күн болды. Екі түрлі жұмыс критерийлерін қолдана отырып, олар жалпы салыстырмалылық теориясына сәйкес 33,8±6,8 нс/күн және 36,5±5,8 нс/күн айырмашылықтарын тапты. Экологиялық факторлар Идзима экспериментіне қарағанда әлдеқайда дәл бақыланды, онда көптеген күрделі түзетулер қажет болды. 2005 жылы ван Баак Рейнир тауында 5400' ASL биіктігінде екі HP 5071A цезий сәулелі сағаттың екі жиынтығын қолдана отырып, демалыс күнінің гравитациялық уақыт дилатациясын өлшеді. Ол 2016 жылы Стивен Хокингтің «Гений» телешоуы үшін Леммон тауында экспериментті қайталады. 2010 жылы Chou және басқалар 1970 жылдардағы тау аңғарындағы эксперименттердегіден әлдеқайда төмен жылдамдықпен және гравитациялық потенциалмен ауырлық және жылдамдық әсерлерін өлшеген сынақтар жүргізді. 36 км/сағ төмен жылдамдықпен жылдамдық уақыт дилатациясын 10−16 деңгейінде растау мүмкін болды. Сонымен қатар, гравитациялық уақыт дилатациясы екі сағат арасындағы биіктік айырмашылығының өте аз мөлшерінен өлшенді. Қазіргі уақытта гравитациялық және жылдамдық әсерлері, мысалы, Глобалды орналасу жүйесі үшін пайдаланылатын есептеулерге жүйелі түрде енгізілген.
Measurements in which the only effect was gravitational have been conducted by Iijima et al. between 1975 and 1977. They carried a commercial caesium clock back and forth from the National Astronomical Observatory of Japan in Mitaka, at above sea level, to Norikura corona station, at above sea level, corresponding to an altitude difference of During the times when the clock stayed at Mitaka, it was compared with another caesium clock. The measured change in rate was (29±1.5)×10−14, consistent with the result of 30.7×10−14 predicted by general relativity. In 1976, Briatore and Leschiutta compared the rates of two caesium clocks, one in Turin above sea level, the other at Plateau Rosa above sea level. The comparison was conducted by evaluating the arrival times of VHF television synchronization pulses and of a LORAN C chain. The predicted difference was 30.6 ns/d. Using two different operating criteria, they found differences of 33.8±6.8 ns/d and 36.5±5.8 ns/d, respectively, in agreement with general relativity. Environmental factors were controlled far more precisely than in the Iijima experiment, in which many complicated corrections had to be applied. In 2005, van Baak measured the gravitational time dilation of a weekend at 5400' ASL on Mount Rainier using two ensembles of three HP 5071A caesium beam clocks. He repeated the experiment in 2016 on Mount Lemmon for the television show Genius by Stephen Hawking. In 2010, Chou et al. performed tests in which both gravitational and velocity effects were measured at velocities and gravitational potentials much smaller than those used in the mountain valley experiments of the 1970s. It was possible to confirm velocity time dilation at the 10−16 level at speeds below 36 km/h. Also, gravitational time dilation was measured from a difference in elevation between two clocks of only
Presently both gravitational and velocity effects are routinely incorporated, for example, into the calculations used for the Global Positioning System.