Гравитациялық қызыл жылжу эксперименті: Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының негізгі тесті, фотондардың энергиясының өзгеруі, гравитациялық әсері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Гравитациялық қызыл жылжуды сынау
Test of gravitational redshift
Pound–Rebka эксперименті гамма сәулелерінің жиіліктерінің өзгеруін Жердің гравитациялық өрісінде олардың көтерілуі мен түсуі кезінде бақылады. Эксперимент Альберт Эйнштейннің 1907 және 1911 жылдарғы болжамдарын тексерді, бұл болжамдар эквиваленттік принципіне негізделген. Оған сәйкес, фотондар гравитациялық потенциал бойынша төмен түскенде энергияны жинайды, ал гравитациялық потенциал бойынша көтерілгенде энергияны жоғалтады. Бұл жалпы салыстырмалылық теориясының классикалық сынақтарының соңғысы болды. Үдемелі жүйеде, жарық сәулесі шығарылатын жерден (бірінші жуықтау бойынша) жарық сәулесі шығарылған кездегіден жылдамдығы артады. Сондықтан, жарық сәулесі жеткендегі жиілігі жиілік болатын емес, керісінше, келесі формуламен берілген үлкен жиілік болады.
The Pound–Rebka experiment monitored frequency shifts in gamma rays as they rose and fell in the gravitational field of the Earth. The experiment tested Albert Einstein's 1907 and 1911 predictions, based on the equivalence principle, that photons would gain energy when descending a gravitational potential, and would lose energy when rising through a gravitational potential. and was the last of the classical tests of general relativity to be verified. In the accelerated system, light emitted from takes (to a first approximation) to arrive at But in this time, the velocity of will have increased by from its velocity when the light was emitted. The frequency of light arriving at will therefore not be the frequency but the greater frequency given by
Эквиваленттік принципіне сәйкес, бірдей қатынас үдемел жүйеде де гравитациялық өріс болғанда қолданылады, онда бізді гравитациялық потенциалдың айырмасымен ауыстырамыз, сондықтан. Гравитациялық қызыл жылжу және оның 1916 жылғы мақаласынан алынған екі басқа болжамы – Меркурий орбитасының аномальды перигелийлік прецессиясы және Күннің жарықты бұруы – жалпы салыстырмалылық теориясының «классикалық сынақтары» ретінде белгілі болды. Меркурийдің аномальды перигелийлік прецессиясы 1859 жылғы Урбен Ле Верье есептеулерінен бастап аспан механикасындағы мәселе ретінде танылды. 1919 жылғы Эддингтон экспедициясында Күннің жарықты бұруын бақылау Эйнштейннің бүкіл әлемге танылуына себеп болды. Гравитациялық қызыл жылжуды көрсету үш классикалық сынақтың ең қиыны болып шықты. Экспериментаторлар Эйнштейннің гравитациялық уақыттың өзгеруі туралы ертерек болжамдарын тексеруге асыққан жоқ, өйткені болжамды әсерді өлшеуге тым қиын болды. Эйнштейннің Күннің спектрлік сызықтарының ығысуы туралы болжамы миллионнан екі бөлігіне ғана тең болды және температура мен қысымға байланысты сызықтың кеңеюімен, сондай-ақ сызықтың асимметриясымен оңай жасырылуы мүмкін, себебі сызықтар күн атмосферасының көптеген турбулентті қабаттарынан сіңірудің суперпозициясын көрсетеді. Алайда, Адамстың өлшеулері де әр түрлі себептермен күмәнді болып табылады.
According to the equivalence principle, the same relation holds for the non accelerated system in a gravitational field, where we replace by the gravitational potential difference between and so that Gravitational redshift and two other predictions from his 1916 paper, the anomalous perihelion precession of Mercury's orbit and the gravitational deflection of light by the Sun, have become known as the "classical tests" of general relativity. The anomalous perihelion precession of Mercury had long been recognized as a problem in celestial mechanics since the 1859 calculations of Urbain Le Verrier. The observation of the deflection of light by the Sun in the 1919 Eddington expedition catapulted Einstein to worldwide fame. Gravitational redshift would prove to be by far the most difficult of the three classical tests to demonstrate. There had been little rush by experimenters to test Einstein's earlier predictions of gravitational time dilation, since the predicted effect was almost immeasurably small. Einstein's predicted displacement for spectral lines of the Sun amounted to only two parts in a million, and would be easily masked by line broadening due to temperature and pressure, and by line asymmetry due to the fact the lines represent the superposition of absorption from many turbulent layers of the solar atmosphere. However, even Adams's measurements have since been brought into question for various reasons.
Мёссбауэр эффектісі
Атомдық спектроскопияда сыртқы қабық электрондарының электрондық ауысуларынан туындаған көрінетін және ультракүлгін фотондар, газ тәрізді атомдар қозған күйде шығарғанда, сол түрдің қоздырылмаған атомдарымен оңай сіңіріледі. Дегенмен, γ-эмиттерлердің ядролары шығарған фотондардың сәйкес сіңірілуі ешқашан байқалған емес, себебі ядролардың кері серпілісі шығарылған фотондардың энергиясын мөлшерлі түрде жоғалтып, оларды нысана ядроларының сіңіру спектрлерімен сәйкессіз етті. 1958 жылы Иридий-191-дің 129 кэВ ауысуын зерттеген Рудольф Мёссбауэр эмитердің температурасын 90К-қа төмендету арқылы резонанстық сіңіруге қол жеткізе алатынын анықтады. Іс жүзінде, ол қол жеткізген энергиялық ажыратымдылық бұрын-соңды естілмеген деңгейде болды. Ол кері серпіліссіз γ-сәуле шығару құбылысын ашты. refn|group="note"|Мёссбауэрдің ашқан жарияланымы бастапқыда физика қауымдастығының көпшілігінен, олардың көпшілігі мұндай өткір резонанстар мүмкін емес деп санағандықтан, кеңінен күмәнмен қабылданды. Анекдот бойынша, Фрауенфельдер бес центтік тікелей бәс тігу үшін ғана растау экспериментін жүргізген. 1960 жылдың сәуір айында Пунд пен Ребканың қызыл жылжудың нақты өлшемін бергені деп қабылданатын жүйелік қателерді азайту үшін күшті сәулелену көзі, ұзын жол және бірнеше жетілдірулер енгізгені маңызды болды.
In atomic spectroscopy, visible and ultraviolet photons resulting from electronic transitions of outer shell electrons, when emitted by gaseous atoms in an excited state, are readily absorbed by unexcited atoms of the same species. However, a corresponding absorbance of photons emitted by the nuclei of γ emitters had never been observed because recoil of the nuclei resulted in so much loss of energy by the emitted photons that they no longer matched the absorbance spectra of the target nuclei. In 1958, Rudolf Mössbauer, who was analyzing the 129 keV transition of Iridium 191, discovered that by lowering the temperature of the emitter to 90K, he could achieve resonant absorbance. Indeed, the energy resolutions that he achieved were of unheard of sharpness. He had discovered the phenomenon of recoilless γ emission. refn|group="note"|Mössbauer's discovery paper was initially greeted with widespread disbelief among the physics community, most of whom did not consider such sharp resonances to be possible. Anecdotally, it has been related that Frauenfelder only conducted his confirmatory experiment to win a five cent bet. It was to be Pound and Rebka's somewhat later contribution in April 1960, which used a stronger radiation source, longer path length, and several refinements to reduce systematic error, which was to be accepted as having provided a definitive measurement of the redshift.
Қате көздері
Өз зерттеулері үшін әртүрлі γ-эмиттерлерді бағалағаннан кейін, Паунд пен Ребка 57Fe-ді таңдады, себебі ол кері толқындарсыз сәуле шығару үшін криогендік салқындатуды қажет етпейді, салыстырмалы түрде төмен ішкі түрлендіру коэффициентіне ие, сондықтан ол 14,4 кэВ ауысудан ажырату қиын болатын рентген сәулелерінің шығарылуынан салыстырмалы түрде бос, 1959 жылы ішкі түрлендіруден туындаған рентген сәулелерінің қажетті 14,4 кэВ сәулесін анық ажырата алатын γ-сәуле спектрометрлері әлі қолжетімді болған жоқ. Паунд пен Ребка жүйелік қателердің маңызды көзі температураның өзгеруінен туындайтынын анықтады, оны олар негізінен екінші реттік релятивистік Доплер эффектісіне байланысты тордың тербелісіне жатқызды. Эмиттер мен абсорбер арасындағы температураның 1°C-қа дейінгі айырмашылығы гравитациялық уақыттың созылуының күтілетін әсеріне шамалас ауытқуға алып келді. Олар сондай-ақ атомның физикалық және химиялық ортасына ядролық ауысудың сезімталдығынан туындайтын, әртүрлі көздер мен абсорберлердің комбинациялары арасындағы жиілік ауытқуларын анықтады. Сондықтан олар осы ауытқуларды гравитациялық қызыл жылжуды өлшеуден ажыратуға мүмкіндік беретін әдістемеге көшуге мұқтаж болды. Үлгіні дайындау кезінде де ерекше сақтық қажет болды, әйтпесе біртектілік болмаған жағдайда сызықтардың қалыптылығы шектелер еді. Көздің жанындағы Моссбауэр мониторы (суретте көрсетілмеген) цилиндр/трансдьюсердің жүйелі түрде төмен қарап, жоғары қарап ауысуынан туындаған бастапқы сигналдың мүмкін бұрмалануын тексерді.
After evaluating various γ emitters for their study, Pound and Rebka chose to use 57Fe because it does not require cryogenic cooling to exhibit recoil free emission, has a relatively low internal conversion coefficient so that it is relatively free of competing X ray emissions that would have been difficult to distinguish from the 14.4 keV transition,refn|group="note"|In 1959, γ ray spectrometers capable of clearly distinguishing the desired 14.4 keV emissions from X rays resulting from internal conversion were not yet available. Pound and Rebka found that a large source of systematic error resulted from temperature variations, which they attributed primarily to a second order relativistic Doppler effect due to lattice vibrations. A mere 1°C difference in temperature between emitter and absorber caused a shift about equal to the predicted effect of gravitational time dilation. They also found frequency offsets between the lines of different combinations of source and absorber stemming from the sensitivity of the nuclear transition to an atom's physical and chemical environment. They therefore needed to adopt methodology which would allow them to distinguish these offsets from their measurement of gravitational redshift. Extreme care was also needed in sample preparation, otherwise inhomogeneities would limit the sharpness of the lines. A Mössbauer monitor near the source (not illustrated) checked for possible distortions of the source signal resulting from the cylinder/transducer assembly being regularly inverted from facing downwards to facing upwards.
Нәтижелер
Әрбір деректерді жинау кезінде он бір сан алынды, яғни төрт абсорберлік тіркегіш көрсеткіштері, төрт мониторлық тіркегіш көрсеткіштері және үш орташа температура айырмасы. Тіркегіш көрсеткіштері әдетте гидравликалық поршеньнің толық он екі циклынан кейін тіркелді, мұнда поршень қозғалысының әрбір қайта бұрылуы көздің 22 000 тербелісінен кейін орын алды. Инженерлік тұрғыдан алғанда, Ғарыштық орналасу жүйесінің (GPS) іске қосылуынан кейін (оның дұрыс жұмыс істеуі үшін жалпы салыстырмалылыққа тәуелді) және оның күнделікті өмірге енуінен кейін, гравитациялық қызыл жылжу/уақыттың созылуы енді сынауды қажет ететін теориялық құбылыс ретінде қарастырылмайды, бірақ дәл өлшеуді қажет ететін әртүрлі салалардағы практикалық инженерлік мәселе болып саналады, арнайы салыстырмалылықпен бірге. Теориялық тұрғыдан алғанда, гравитациялық қызыл жылжу/уақыттың созылуының мәртебесі мүлдем өзгеше. Жалпы салыстырмалылық, бүгінгі күнге дейін жиналған барлық деректерді есепке алса да, табиғаттың соңғы теориясын білдіре алмайды деп кеңінен мойындалады. Эквиваленттік принцип (ЭП) жалпы салыстырмалылық теориясының ядросы болып табылады. Жалпы салыстырмалылыққа ұсынылған көптеген баламалар ЭП-тің белгілі бір деңгейде бұзылуын болжайды. ЭП үш гипотезаны қамтиды:
Each data run yielded eleven numbers, i. e. four absorber register counts, four monitor register counts, and three average temperature differences. The register counts were generally recorded after twelve full back and forth cycles of the hydraulic piston, where each reversal of piston motion occurred after 22,000 periods of source vibration. From an engineering standpoint, after the launch of the Global Positioning System (which depends on general relativity for its proper functioning) and its integration into everyday life, gravitational redshift/time dilation is no longer considered a theoretical phenomenon requiring testing, but rather is considered a practical engineering concern in various fields requiring precision measurement, along with special relativity. From a theoretical standpoint, however, the status of gravitational redshift/time dilation is quite different. It is widely recognized that general relativity, despite accounting for all data gathered to date, cannot represent a final theory of nature. The equivalence principle (EP) lies at the heart of the general theory of relativity. Most proposed alternatives to general relativity predict violation of the EP at some level. The EP includes three hypotheses: