Введение
Эксперимент 1938 года, подтверждающий релятивистское замедление времени. [[File:Ives Stilwell experiment 1. svg|thumb|350px|Рисунок 1. Эксперимент Ивса — Стилвелла (1938). "Канальные лучи" (смесь, состоящая в основном из ионов H2+ и H3+) ускорялись через перфорированные пластины с напряжением от 6788 до 18 350 вольт. Луч и его отраженное изображение одновременно наблюдались с помощью вогнутого зеркала, смещенного на 7° от направления луча. Другими тестами, подтверждающими релятивистский эффект Доплера, являются эксперимент с ротором Мёссбауэра и современные эксперименты Ивса — Стилвелла. И замедление времени, и релятивистский эффект Доплера были предсказаны Альбертом Эйнштейном в его основополагающей работе 1905 года. Позднее Эйнштейн (1907) предложил эксперимент, основанный на измерении относительных частот света, воспринимаемого как исходящего от "канальных лучей" (положительных ионных пучков, создаваемых определенными типами газоразрядных ламп), движущихся относительно наблюдателя, и он вычислил дополнительное смещение Доплера, обусловленное замедлением времени. Этот эффект впоследствии был назван "поперечным эффектом Доплера" (TDE), поскольку изначально предполагалось проводить такие эксперименты под прямым углом к движущемуся источнику, чтобы избежать влияния продольного сдвига Доплера. В конечном итоге Герберт Ивс и Г. Р. Стилвелл (рассматривая замедление времени как следствие теории Лоренца и Лармора) отказались от идеи измерения этого эффекта под прямым углом. Они использовали лучи в продольном направлении и нашли способ отделить гораздо меньший TDE от гораздо большего продольного эффекта Доплера. Эксперимент был проведен в 1938 году и несколько раз повторен. Аналогичные эксперименты проводились неоднократно с повышенной точностью, например, Оттингом (1939), Мандельбергом и др. (1962), Хасселькампом и др. (1979) и Botermann et al. Различные значения соответствовали бы различным комбинациям сокращения длины, расширения ширины и замедления времени, где было бы значение, предсказанное специальной теорией относительности. Ивс предложил описанный в этой статье оптический эксперимент для определения точного значения.
[[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
Эксперимент 1938 года
Рисунок 4. Линия Балмера, сдвинутая эффектом Доплера, в эксперименте Ивса-Стилуэлла.
В эксперименте Айвс и Стилуэлл использовали водородные разрядные трубки в качестве источника канальных лучей, состоящих преимущественно из положительных ионов H2+ и H3+. (Свободные ионы H+ присутствовали в слишком малом количестве для использования, так как они быстро соединялись с молекулами H2, образуя ионы H3+.) Эти ионы, после ускорения до высоких скоростей в канальной лучевой трубке, взаимодействовали с молекулами наполнителя (который иногда включал газы, отличные от H2), высвобождая возбужденные атомы водорода, скорости которых определялись отношением заряда к массе родительских ионов H2+ и H3+. Champeney et al. (1963, 1965) и Kündig (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).
Изотропия скорости света
Эксперименты с ротором Мёссбауэра также использовались для измерения возможной анизотропии скорости света. А именно, предполагаемый эфирный ветер должен был бы оказывать возмущающее влияние на частоту поглощения. Однако, как и во всех других экспериментах по обнаружению дрейфа эфира (например, в эксперименте Майкельсона — Морли), результат оказался отрицательным, что позволило установить верхний предел скорости дрейфа эфира, равный 2,0 см/с. Эксперименты такого рода проводились Champeney и Moon (1961), Champeney с соавторами (1963), Turner и Hill (1964), а также Preikschat под руководством Isaak (1968).
Быстрые часы
Значительно более высокая точность была достигнута в современных вариациях экспериментов Ивса–Стилвелла. В кольцах хранения тяжелых ионов, таких как TSR в MPIK или ESR в Центре исследований тяжелых ионов GSI Helmholtz, Допплеровский сдвиг ионов лития, движущихся на высокой скорости, оценивается с помощью спектроскопии насыщения или оптического–оптического двойного резонанса. Схематическое изображение оптического–оптического двойного резонанса со значениями переходных частот и движущегося иона и встречно направленных лазерных пучков с частотами и . Схематическое изображение спектроскопии насыщения со значениями переходных частот движущегося иона и встречно направленных лазерных пучков с частотами и . Благодаря своим излучаемым частотам, эти ионы могут рассматриваться как высокоточные оптические атомные часы. Используя формализм Мансури–Сексла, возможное отклонение от специальной теории относительности может быть количественно оценено выражением:
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
где – частота лазерного пучка, распространяющегося против направления ионного пучка, а – частота лазерного пучка, распространяющегося в направлении ионного пучка. и – переходные частоты переходов в состоянии покоя, – скорость иона, а – скорость света. В случае спектроскопии насыщения формула изменяется на:
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
где – переходная частота в состоянии покоя. Если специальная теория относительности верна, то равна нулю.
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 | Год | Скорость | Верхний предел
------- | -------- | -------- | --------
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
Медленно движущиеся часы
Между тем, измерение замедления времени при обычных скоростях также было осуществлено. Чжоу и др. (2010) создали два атомных часовника, каждый из которых содержал один ион 27Al+ в ловушке Пола. В одном часовнике ион Al+ сопровождался ионом 9Be+ в качестве "логического" иона, а в другом – ионом 25Mg+. Два часовника располагались в отдельных лабораториях и были соединены 75-метровым оптическим волокном с фазовой стабилизацией для обмена сигналами времени. Эти оптические атомные часы излучали частоты в диапазоне петагерц (1 ПГц = 1015 Гц) и имели погрешность измерения частоты в диапазоне 10−17. С помощью этих часовников стало возможным измерить сдвиг частоты, вызванный замедлением времени, порядка ~10−16 при скоростях менее 36 км/ч (< 10 м/с, скорость быстрого бегуна), сравнивая частоты движущихся и неподвижных ионов алюминия. Также удалось обнаружить гравитационное замедление времени, обусловленное разницей в высоте между двумя часовниками в 33 см.