Кіріспе
1938 жылғы релятивистік уақыттың өзгеруін растайтын тәжірибе. Айвс-Стилвелл тәжірибесі (1938). "Каналдық сәулелер" (көбінесе H2+ және H3+ иондарының қоспасы) 6788-ден 18 350 вольтқа дейін зарядталған тесіктелген пластиналар арқылы үдетілді. Сәуле және оның шағылысқан бейнесі бір мезгілде, 7° бұрышпен орналасқан қисайған айна көмегімен байқалды. Релятивистік Доплер эффектісін растайтын басқа тәжірибелер – Моссбауэр роторы тәжірибесі және қазіргі Айвс-Стилвелл тәжірибелері. Уақыттың өзгеруі және релятивистік Доплер эффектісі Альберт Эйнштейннің 1905 жылғы маңызды еңбегінде болжаған. Эйнштейн кейін (1907) бақылаушыға қатысты қозғалыстағы "каналдық сәулелерден" (газ разрядтау түтікшелерінің белгілі бір түрлері арқылы жасалған оң иондық сәулелер) келетін жарықтың салыстырмалы жиіліктерін өлшеуге негізделген тәжірибе ұсынды және ол уақыттың өзгеруіне байланысты қосымша Доплер жылжуын есептеді. Бұл эффект кейіннен "көлденең Доплер эффектісі" (КДЭ) деп аталды, себебі мұндай тәжірибелер бастапқыда қозғалмалы көзден келетін Доплер жылжуының әсерінен аулақ болу үшін тік бұрышта жүргізілуі жоспарланған. Ақырында Герберт Ивс және Г. Р. Стилвелл (уақыттың өзгеруін Лоренц және Лармор теориясынан туындайтынына сілтеме жасай отырып) осы эффектіні тік бұрышта өлшеу идеясынан бас тартты. Олар бойлық бағыттағы сәулелерді пайдаланып, әлдеқайда кішкентай КДЭ-ні әлдеқайда үлкен бойлық Доплер эффектісінен ажыратудың жолын тапты. Тәжірибе 1938 жылы орындалды және бірнеше рет қайталанды. Ұқсас тәжірибелер жоғары дәлдікпен бірнеше рет жүргізілді, мысалы, Оттинг (1939), Мандельберг және басқалар (1962), Хасселкамп және басқалар (1979) және Ботерманн және басқалар. Әртүрлі мәндер ұзындық қысқаруы, енінің кеңеюі және уақыттың өзгеруінің әртүрлі комбинацияларына сәйкес келеді, мұнда ерекше салыстырмалылық теориясы болжаған мән болады. Айвс осы мақалада сипатталған оптикалық тәжірибені ұсынды, оның мақсаты нақты мәнді анықтау.
[[File:Ives Stilwell experiment 1. svg|thumb|350px|Figure 1. Ives–Stilwell experiment (1938). "Canal rays" (a mixture of mostly H2+ and H3+ ions) were accelerated through perforated plates charged from 6,788 to 18,350 volts. The beam and its reflected image were simultaneously observed with the aid of a concave mirror offset 7° from the beam. Other tests confirming the relativistic Doppler effect are the Mössbauer rotor experiment and modern Ives–Stilwell experiments. Both time dilation and the relativistic Doppler effect were predicted by Albert Einstein in his seminal 1905 paper. Einstein subsequently (1907) suggested an experiment based on the measurement of the relative frequencies of light perceived as arriving from "canal rays" (positive ion beams created by certain types of gas discharge tubes) in motion with respect to the observer, and he calculated the additional Doppler shift due to time dilation. This effect was later called "transverse Doppler effect" (TDE), since such experiments were initially imagined to be conducted at right angles with respect to the moving source, in order to avoid the influence of the longitudinal Doppler shift. Eventually, Herbert E. Ives and G. R. Stilwell (referring to time dilation as following from the theory of Lorentz and Larmor) gave up the idea of measuring this effect at right angles. They used rays in longitudinal direction and found a way to separate the much smaller TDE from the much bigger longitudinal Doppler effect. The experiment was performed in 1938 and was reprised several times. Similar experiments were conducted several times with increased precision, for example, by Otting (1939), Mandelberg et al. (1962), Hasselkamp et al. (1979), and Botermann et al. Various values of would correspond to various combinations of length contraction, width expansion, and time dilation, where would be the value predicted by special relativity. Ives proposed the optical experiment described in this article to determine the precise value of
1938 жылғы тәжірибе
сурет 4. Ивс-Стилвелл экспериментінен Доплер эффектісіне ұшыраған Балмер сызығы.
Экспериментте Ивс және Стилвелл арналық сәулелердің көзі ретінде сутек газын пайдаланды, олар негізінен оң H2+ және H3+ иондарынан тұрды. (Еркін H+ иондары қолдануға тым аз мөлшерде болды, себебі олар тез H2 молекулаларымен бірігіп H3+ иондарын құрады.) Бұл иондар арналық сәулелік түтікте жоғары жылдамдыққа дейін үдетілгеннен кейін, толтыру газының молекулаларымен (кейде H2 емес, басқа газдар да болды) өзара әрекеттесіп, қозған сутек атомдарын босатады, олардың жылдамдықтары H2+ және H3+ иондарының заряд-масса қатынастарымен анықталады. Champeney және басқалар (1963, 1965) және Кундиг (1963).
In the experiment, Ives and Stilwell used hydrogen discharge tubes as the source of canal rays which consisted primarily of positive H2+ and H3+ ions. (Free H+ ions were present in too small an amount to be usable, since they quickly combined with H2 molecules to form H3+ ions.) These ions, after being accelerated to high speed in the canal ray tube, would interact with molecules of the fill gas (which sometimes included other gases than H2) to release excited atomic hydrogen atoms whose velocities were determined by the charge to mass ratios of the parent H2+ and H3+ ions. Champeney et al. (1963, 1965), and Kündig (1963).
Жарық жылдамдығының изотропиясы
Моссбауэр роторлық эксперименттері жарық жылдамдығының мүмкін анизотропиясын өлшеу үшін де пайдаланылды. Яғни, мүмкін эфирлі жел сіңіру жиілігіне бұрмалаушы әсер етуі керек еді. Бірақ, барлық басқа эфир ағыны эксперименттеріндегідей (Микельсон-Морли эксперименті), нәтиже теріс болды, бұл эфир ағынының жоғарғы шегін 2,0 см/с деп белгіледі. Мұндай эксперименттерді Champeney және Moon (1961), Champeney және авторлар тобы (1963), Turner және Hill (1964), сондай-ақ Исаактың жетекшілігімен Preikschat (1968) жүргізді.
Жылдам қозғалатын сағаттар
Айвс-Стилвелл эксперименттерінің қазіргі заманғы нұсқаларында айтарлықтай жоғары дәлдікке қол жеткізілді. Ауыр иондарды сақтау сақиналарында, мысалы, МПИК-тегі TSR немесе GSI Гельмгольц ауыр иондар зерттеу орталығындағы ESR, литий иондарының жоғары жылдамдықпен қозғалатын Доплер эффектісі қаныққан спектроскопия немесе оптикалық-оптикалық қос резонанс арқылы бағаланады. сурет|Қозғалатын ионның және оған қарсы таралатын лазерлік сәулелердің жиіліктерімен, сондай-ақ оптикалық-оптикалық қос резонанстық спектроскопияның көшу жиіліктерімен схемалық көрінісі. сурет|Қозғалатын ионның және оған қарсы таралатын лазерлік сәулелердің жиіліктерімен қанығу спектроскопиясының схемалық көрінісі. Бұл иондар, олардың шығаратын жиіліктеріне байланысты, жоғары дәлдігі бар оптикалық атомдық сағаттар ретінде қарастырылуы мүмкін. Мансури-Сексль аясында арнайы салыстырмалылық теориясынан болатын ауытқуды былайша анықтауға болады:
Due to their frequencies emitted, these ions can be considered as optical atomic clocks of high precision. Using the framework of Mansouri–Sexl a possible deviation from special relativity can be quantified by
with as frequency of the laser beam propagating anti parallel to the ion beam and as frequency of the laser beam propagating parallel to the ion beam. and are the transition frequencies of the transitions in rest. with as ion velocity and as speed of light. In the case of saturation spectroscopy the formula changes to
with as the transition frequency in rest. In the case that special relativity is valid is equal to zero. Author Year Speed Upper limit of Grieser et al.19940.064 c≤ 8Saathoff et al.20030.064 c≤ 2Reinhardt et al.20070.03 c, 0.064 c≤ 8Novotny et al.20090.338 c≤ 1Botermann et al. 2014 0.338 c ≤ 2
,
Due to their frequencies emitted, these ions can be considered as optical atomic clocks of high precision. Using the framework of Mansouri–Sexl a possible deviation from special relativity can be quantified by
with as frequency of the laser beam propagating anti parallel to the ion beam and as frequency of the laser beam propagating parallel to the ion beam. and are the transition frequencies of the transitions in rest. with as ion velocity and as speed of light. In the case of saturation spectroscopy the formula changes to
with as the transition frequency in rest. In the case that special relativity is valid is equal to zero. Author Year Speed Upper limit of Grieser et al.19940.064 c≤ 8Saathoff et al.20030.064 c≤ 2Reinhardt et al.20070.03 c, 0.064 c≤ 8Novotny et al.20090.338 c≤ 1Botermann et al. 2014 0.338 c ≤ 2
мұндағы – ион сәулесіне антипараллель бағытталған лазерлік сәуленің жиілігі, ал – ион сәулесіне параллель бағытталған лазерлік сәуленің жиілігі. және – ион тыныш күйдегі ауысу жиіліктері. – ион жылдамдығы, ал – жарық жылдамдығы. Қанығу спектроскопиясы жағдайында формула былай өзгереді:
Due to their frequencies emitted, these ions can be considered as optical atomic clocks of high precision. Using the framework of Mansouri–Sexl a possible deviation from special relativity can be quantified by
with as frequency of the laser beam propagating anti parallel to the ion beam and as frequency of the laser beam propagating parallel to the ion beam. and are the transition frequencies of the transitions in rest. with as ion velocity and as speed of light. In the case of saturation spectroscopy the formula changes to
with as the transition frequency in rest. In the case that special relativity is valid is equal to zero. Author Year Speed Upper limit of Grieser et al.19940.064 c≤ 8Saathoff et al.20030.064 c≤ 2Reinhardt et al.20070.03 c, 0.064 c≤ 8Novotny et al.20090.338 c≤ 1Botermann et al. 2014 0.338 c ≤ 2
,
Due to their frequencies emitted, these ions can be considered as optical atomic clocks of high precision. Using the framework of Mansouri–Sexl a possible deviation from special relativity can be quantified by
with as frequency of the laser beam propagating anti parallel to the ion beam and as frequency of the laser beam propagating parallel to the ion beam. and are the transition frequencies of the transitions in rest. with as ion velocity and as speed of light. In the case of saturation spectroscopy the formula changes to
with as the transition frequency in rest. In the case that special relativity is valid is equal to zero. Author Year Speed Upper limit of Grieser et al.19940.064 c≤ 8Saathoff et al.20030.064 c≤ 2Reinhardt et al.20070.03 c, 0.064 c≤ 8Novotny et al.20090.338 c≤ 1Botermann et al. 2014 0.338 c ≤ 2
мұндағы – ион тыныш күйдегі ауысу жиілігі. Егер арнайы салыстырмалылық теориясы дұрыс болса, онда бұл шама нөлге тең.
Due to their frequencies emitted, these ions can be considered as optical atomic clocks of high precision. Using the framework of Mansouri–Sexl a possible deviation from special relativity can be quantified by
with as frequency of the laser beam propagating anti parallel to the ion beam and as frequency of the laser beam propagating parallel to the ion beam. and are the transition frequencies of the transitions in rest. with as ion velocity and as speed of light. In the case of saturation spectroscopy the formula changes to
with as the transition frequency in rest. In the case that special relativity is valid is equal to zero. Author Year Speed Upper limit of Grieser et al.19940.064 c≤ 8Saathoff et al.20030.064 c≤ 2Reinhardt et al.20070.03 c, 0.064 c≤ 8Novotny et al.20090.338 c≤ 1Botermann et al. 2014 0.338 c ≤ 2
Автор Жыл Жылдамдық Үлгінің жоғарғы шегі
Grieser et al. 1994 0.064 c ≤ 8
Saathoff et al. 2003 0.064 c ≤ 2
Reinhardt et al. 2007 0.03 c, 0.064 c ≤ 8
Novotny et al. 2009 0.338 c ≤ 1
Botermann et al. 2014 0.338 c ≤ 2
Due to their frequencies emitted, these ions can be considered as optical atomic clocks of high precision. Using the framework of Mansouri–Sexl a possible deviation from special relativity can be quantified by
with as frequency of the laser beam propagating anti parallel to the ion beam and as frequency of the laser beam propagating parallel to the ion beam. and are the transition frequencies of the transitions in rest. with as ion velocity and as speed of light. In the case of saturation spectroscopy the formula changes to
with as the transition frequency in rest. In the case that special relativity is valid is equal to zero. Author Year Speed Upper limit of Grieser et al.19940.064 c≤ 8Saathoff et al.20030.064 c≤ 2Reinhardt et al.20070.03 c, 0.064 c≤ 8Novotny et al.20090.338 c≤ 1Botermann et al. 2014 0.338 c ≤ 2
Ауа райының баяу жүруі
Сонымен қатар, күнделікті жылдамдықтарда уақыттың өзгеруін өлшеу де жүзеге асырылды. Шоу және авторлар тобы (2010) Пол тұзағында бір 27Al+ ионын ұстайтын екі сағат құрастырды. Бір сағатта Al+ ионымен бірге 9Be+ ионы «логикалық» ион ретінде болса, екіншісінде 25Mg+ ионы болды. Екі сағат та жеке зертханаларда орналастырылды және сағат сигналдарын алмасу үшін 75 метрлік, фазасы тұрақтандырылған оптикалық талшықпен байланыстырылды. Бұл оптикалық атомдық сағаттар петагерц (1 ПГц = 1015 Гц) диапазонындағы жиіліктерді шығарды және жиілік белгісіздігі 10−17 диапазонында болды. Осы сағаттардың көмегімен қозғалған және тоқтаған алюминий иондарының жылдамдықтарын салыстыру арқылы 36 км/сағ (< 10 м/с, шапшаң жүгірушінің жылдамдығы) жылдамдығынан төмен уақыттың өзгеруіне байланысты ~10−16 жиілік өзгерісін өлшеу мүмкін болды. Сондай-ақ, екі сағаттың арасындағы 33 см биіктік айырмасынан гравитациялық уақыттың өзгеруін анықтауға да мүмкіндік болды.