Введение
Испытания специальной теории относительности
Замедление времени, предсказанное специальной теорией относительности, часто подтверждается экспериментами с временем жизни частиц. Согласно специальной теории относительности, скорость хода часов C, движущихся между двумя синхронизированными лабораторными часами A и B, с точки зрения лабораторного наблюдателя, замедляется по сравнению со скоростью хода лабораторных часов. Поскольку любой периодический процесс можно рассматривать как часы, время жизни нестабильных частиц, таких как мюоны, также должно изменяться, так что движущиеся мюоны должны жить дольше, чем покоящиеся. Было проведено множество экспериментов, подтверждающих этот эффект, как в атмосфере, так и в ускорителях частиц. Другой тип экспериментов по замедлению времени – это серия экспериментов Айвса — Стилвелла, измеряющих релятивистский эффект Доплера.
Эксперименты
Если не существует замедления времени, то эти мюоны должны распадаться в верхних слоях атмосферы, однако, благодаря замедлению времени, они обнаруживаются в значительном количестве и на гораздо меньших высотах. Сравнение этих количеств позволяет определить среднее время жизни, а также период полураспада мюонов. – это количество мюонов, измеренное в верхних слоях атмосферы, – количество мюонов, измеренное на уровне моря, – время прохождения расстояния между этими областями в системе отсчета Земли, а – среднее собственное время жизни мюонов.
Эксперимент Фриш-Смит
Гораздо более точный эксперимент такого рода был проведен Дэвидом Х. Фришем и Смитом (1962) и задокументирован фильмом. Они измерили приблизительно 563 мюона в час в шести сериях измерений на горе Вашингтон на высоте 1917 м над уровнем моря. Измеряя их кинетическую энергию, были определены средние скорости мюонов в диапазоне от 0,995 c до 0,9954 c. Дополнительное измерение было проведено в Кембридже, штат Массачусетс, на уровне моря. Время, которое требуется мюонам для прохождения от 1917 м до 0 м, составляет около 6,4. При предполагаемом среднем времени жизни 2,2 мкс, только 27 мюонов достигли бы этой точки, если бы не эффект замедления времени. Однако, в Кембридж прибывало приблизительно 412 мюонов в час, что соответствует фактору замедления времени 8,8. Фриш и Смит показали, что это согласуется с предсказаниями специальной теории относительности: фактор замедления времени для мюонов на горе Вашингтон, движущихся со скоростью от 0,995 c до 0,9954 c, составляет примерно 10,2. Их кинетическая энергия, а следовательно и скорость, уменьшались по мере приближения к Кембриджу до 0,9881 c и 0,9897 c из-за взаимодействия с атмосферой, что привело к снижению фактора замедления времени до 6,8. Таким образом, между началом пути (≈ 10,2) и точкой прибытия (≈ 6,8) ими был определен средний фактор замедления времени 8,4, что соответствует измеренному результату с учетом погрешности (см. вышеуказанные формулы и схему для вычисления кривых распада).
Другие эксперименты
С тех пор в студенческих экспериментах было проведено множество измерений среднего времени жизни мюонов в атмосфере и замедления времени.
Парадокс двойников и движущиеся часы
Бейли и др. (1977) измерили время жизни положительных и отрицательных мюонов, запущенных по замкнутой траектории в кольце хранения мюонов CERN. Этот эксперимент подтвердил как замедление времени, так и парадокс близнецов, то есть гипотезу о том, что часы, отправленные в путешествие и вернувшиеся в исходную точку, идут медленнее по сравнению с неподвижными часами. Другие измерения парадокса близнецов включают в себя также гравитационное замедление времени. В эксперименте Хафеле — Китинга реальные атомные часы на основе цезиевого пучка были доставлены вокруг Земли, и были обнаружены ожидаемые расхождения по сравнению с неподвижными часами.
Гипотеза часов - отсутствие эффекта ускорения
Гипотеза часов утверждает, что величина ускорения не влияет на величину замедления времени. В большинстве из вышеупомянутых экспериментов распадающиеся частицы находились в инерциальной системе отсчета, то есть не подвергались ускорению. Однако в работе Бейли и др. (1977) частицы испытывали поперечное ускорение до ~10¹⁸ g. Поскольку результат остался прежним, было показано, что ускорение не оказывает влияния на замедление времени.