Эксперименты Хьюза и Древера

Спектр ЯМР ядра 7Li раствора LiCl (1M) в D2O. Резкая нерасщеплённая линия ЯМР этого изотопа лития свидетельствует об изотропии массы и пространства.

Эксперименты Хьюза и Древера (также эксперименты по сравнению часов, изотропии массы или изотропии энергии) представляют собой спектроскопические тесты изотропии массы и пространства. Хотя первоначально он задумывался как проверка принципа Маха, теперь он понимается как важная проверка лоренц-инвариантности. Как и в опыте Майкельсона — Морли, можно проверить существование предпочтительной системы отсчёта или других отклонений от лоренц-инвариантности, что также влияет на справедливость принципа эквивалентности. Таким образом, эти эксперименты касаются фундаментальных аспектов как специальной, так и общей теории относительности. В отличие от опытов типа Майкельсона — Морли, эксперименты Хьюза и Древера проверяют изотропию взаимодействий самой материи, то есть протонов, нейтронов и электронов. Достигнутая точность делает этот вид эксперимента одним из самых точных подтверждений теории относительности (см. также Тесты специальной теории относительности)[A 1][A 2][A 3][A 4][A 5][A 6].

Эксперименты Хьюза и Древера

Джузеппе Коккони и Эдвин Эрнест Солпитер (1958 г.) предположили, что инерция зависит от окружающих масс в соответствии с принципом Маха. Таким образом, неравномерное распределение вещества привело бы к анизотропии инерции по разным направлениям. Эвристические аргументы привели их к мысли, что при любой анизотропии инерции, если таковая существует, будет преобладать массовый вклад центра нашей галактики Млечный Путь. Они утверждали, что эту анизотропию можно наблюдать двумя способами: измерением зеемановского расщепления в атоме[1] или измерением зеемановского расщепления в возбужденном ядерном состоянии 57
Fe, используя эффект Мессбауэра[2].

Вернон В. Хьюз и др. (1960 г.)[3] и Рональд Древер (1961 г.)[4] независимо провели аналогичные спектроскопические эксперименты для проверки принципа Маха. Однако они не использовали эффект Мёссбауэра, а провели магнитно-резонансные измерения ядра лития-7, основное состояние, которого имеет спин-3⁄2. Основное состояние расщепляется на четыре равноудалённых магнитных энергетических уровней при измерении в магнитном поля в соответствии с разрешёнными магнитными квантовыми числами. Ядерные волновые функции для разных энергетических уровней имеют различное пространственное распределение относительно магнитного поля и, следовательно, имеют разные свойства по направлению. Если массовая изотропия соблюдается, каждый переход между парой соседних уровней должен излучать фотон одинаковой частоты, что приводит к одной резкой спектральной линии. С другой стороны, если инерция имеет зависимость от направления, должна наблюдаться тройная или уширенная резонансная линия. В ходе 24-часовой версии эксперимента Древера Земля вращалась, и ось магнитного поля охватывала разные участки неба. Древер обратил особое внимание на поведение спектральной линии при пересечении магнитным полем центра галактики[A 7]. Ни Хьюз, ни Древер не наблюдали частотного сдвига энергетических уровней, и благодаря высокой точности их экспериментов максимальная анизотропия могла быть ограничена величиной 0,04 Гц = 10−25 ГэВ.

Что касается последствий нулевого результата для принципа Маха, Роберт Х. Дикке (1961 г.) показал, что он согласуется с этим принципом, если пространственная анизотропия одинакова для всех частиц. Таким образом, нулевой результат скорее показывает, что эффекты анизотропии инерции, если они существуют, универсальны для всех частиц и локально ненаблюдаемы[5].

Современная интерпретация

Хотя мотивация этого эксперимента заключалась в проверке принципа Маха, с тех пор он стал признанным тестом лоренц-инвариантности и, следовательно, специальной теории относительности. Это связано с тем, что эффекты анизотропии также возникают в присутствии предпочтительной и нарушающей Лоренц-инвариантность системы отсчёта, которую обычно отождествляют с системой покоя реликтового излучения как своего рода светоносного эфира (относительная скорость около 368 км/с). Поэтому отрицательные результаты экспериментов Хьюза и Древера (как и опытов Майкельсона — Морли) исключают существование такой системы отсчёта. В частности, тесты Хьюза и Древера на нарушения Лоренц-инвариантности часто описываются проверочной теорией специальной теории относительности, выдвинутой Клиффордом Уиллом. Согласно этой модели нарушения Лоренц-инвариантности при наличии предпочтительных систем отсчёта могут приводить к различиям между максимально достижимой скоростью массивных частиц и скоростью света. Если бы они были другими, изменились бы и свойства и частоты взаимодействий материи. Кроме того, фундаментальным следствием принципа эквивалентности общей теории относительности является то, что лоренц-инвариантность локально выполняется в свободно движущихся системах отсчёта (локальная лоренц-инвариантность). Это означает, что результаты этого эксперимента касаются как специальной, так и общей теории относительности[A 1][A 2].

Из-за того, что сравниваются разные частоты («часы»), эти эксперименты также обозначаются как эксперименты по сравнению часов[A 3][A 4].

Недавние эксперименты

Помимо нарушений Лоренц-инвариантности из-за предпочтительной системы отсчёта или влияний, основанных на принципе Маха, также ведутся поиски спонтанных нарушений лоренц-инвариантности и СРТ-симметрии, мотивированных предсказаниями различных моделей квантовой гравитации, предполагающих их существование. Были проведены современные версии экспериментов Хьюза и Древера по изучению возможного нарушения Лоренц-инвариантности и СРТ-инвариантности в нейтронах и протонах. Использование спин-поляризованных систем и комагнитометров (для подавления магнитных влияний) значительно повысило точность и чувствительность этих экспериментов. Кроме того, с помощью спин-поляризованных крутильных весов также испытали электронный сектор[A 5][A 6].

Все эти эксперименты до сих пор дали отрицательные результаты, поэтому нет признаков существования предпочтительной системы отсчёта или какой-либо другой формы нарушения Лоренц-инвариантности. Значения в следующей таблице связаны с коэффициентами, заданными Расширением Стандартной модели (SME), часто используемой эффективной теорией поля для оценки возможных нарушений Лоренц-инвариантности (см. Также другие Тестовые теории специальной теории относительности). Отсюда любое отклонение от лоренц-инвариантности можно связать с конкретными коэффициентами. Поскольку в этих экспериментах проверяется ряд коэффициентов, даётся только значение максимальной чувствительности (точные данные см. в отдельных статьях):[A 3][A 8][A 4].

Автор Год SME ограничения Описание
Протон Нейтрон Элнетрон
Prestage et al.[6] 1985 10−27 Сравнение ядерной перехода с переворотом спина 9
Be в ловушке Пеннинга и радиолинии нейтрального водорода.
Phillips[7] 1987 10−27 Исследовались гармонические колебания криогенного крутильного маятника, несущего поперечно поляризованный магнит.
Lamoreaux et al.[8] 1989 10−29 Индуцировалась дипольная и квадрупольная спиновая поляризация в 201
Hg паре, по которой наблюдались квадрупольные энергетические сдвиги.
Chupp et al.[9] 1989 10−27 Исследовано зависящее от времени квадрупольное расщепление зеемановских уровней. Газы 21
Ne и 3
He поляризуются спиновым обменом и сравниваются.
Wineland et al.[10] 1991 10−25 Аномальные диполь-монопольные и диполь-дипольные связи исследуются путём изучения сверхтонких резонансов в 9
Be.
Berglund et al.[11] 1995 10−27 10−30 10−27 Частоты 199Hg и 133Cs сравнивались в магнитном поле.
Bear et al.[12] 2000 10−31 Сравнивались частоты 129
Xe и 3
He в магнитном поле.
Phillips et al.[13] 2000 10−27 Зеемановскую частоту водородного мазера.
Humphrey et al.[14] 2003 10−27 10−27 Аналогично Phillips et al. (2000).
Canè et al.[15] 2004 10−32 Аналогично Bear et al. (2000).
Wolf et al.[16] 2006 10−25 Атомные частоты измеряются с помощью лазерного охлаждения атомных фонтанов 133
Cs.
Heckel et al.[17] 2006 10−30 Они использовали крутильный маятник с четырьмя секциями из Alnico и четырьмя секциями из Sm5Co.
Heckel et al.[18] 2008 10−31 Аналогично Heckel et al. (2006).
Brown et al.[19] 2010 10−32 10−33 Сравнение частот K/3
He комагнетометра.
Smiciklas et al.[20] 2011 10−29 Сравнение частот в 21
Ne/Rb/K комагнетометре. Проверка максимально достижимой скорости нейтронов.
Peck et al.[21] 2012 10−30 10−31 Аналогично Berglund et al. (1995).

Примечания

Вторичные источники

  1. ↑ 1 2 Will, C. M. (2006). "The Confrontation between General Relativity and Experiment". Living Reviews in Relativity. 9 (3). arXiv:gr-qc/0510072. Bibcode:2006LRR.....9....3W. doi:10.12942/lrr-2006-3. PMID 28179873. Архивировано 10 декабря 2019. Дата обращения: 23 июня 2011.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
  2. ↑ 1 2 Will, C. M. (1995). "Stable clocks and general relativity". Proceedings of the 30th Rencontres de Moriond: 417. arXiv:gr-qc/9504017. Bibcode:1995dmcc.conf..417W.
  3. ↑ 1 2 3 Kostelecký, V. Alan (1999). "Constraints on Lorentz violation from clock-comparison experiments". Physical Review D. 60 (11): 116010. arXiv:hep-ph/9908504. Bibcode:1999PhRvD..60k6010K. doi:10.1103/PhysRevD.60.116010.
  4. ↑ 1 2 3 Mattingly, David (2005). "Modern Tests of Lorentz Invariance". Living Rev. Relativ. 8 (5): 5. arXiv:gr-qc/0502097. Bibcode:2005LRR.....8....5M. doi:10.12942/lrr-2005-5. PMID 28163649. Архивировано 10 декабря 2019. Дата обращения: 30 января 2022.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
  5. ↑ 1 2 Pospelov, Maxim (2004). "Lorentz Invariance on Trial" (PDF). Physics Today. 57 (7): 40—46. Bibcode:2004PhT....57g..40P. doi:10.1063/1.1784301. Архивировано (PDF) 2 января 2022. Дата обращения: 30 января 2022.
  6. ↑ 1 2 Walsworth, R. L. (2006). "Tests of Lorentz Symmetry in the Spin-Coupling Sector" (PDF). 702: 493—505. doi:10.1007/3-540-34523-X_18. Архивировано (PDF) 9 апреля 2010. Дата обращения: 30 января 2022. {{cite journal}}: Cite journal требует |journal= (справка)
  7. ↑ Bartusiak, Marcia. Einstein's Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time. — Joseph Henry Press, 2003. — P. 96–97. — «'I watched that line over a 24-hour period as the Earth rotated. As the axis of the field swung past the center of the galaxy and other directions, I looked for a change,' recalls Drever.». — ISBN 0425186202.
  8. ↑ Hou, Li-Shing (2003). "Test of Cosmic Spatial Isotropy for Polarized Electrons Using a Rotatable Torsion Balance". Physical Review Letters. 90 (20): 201101. arXiv:physics/0009012. Bibcode:2003PhRvL..90t1101H. doi:10.1103/PhysRevLett.90.201101. PMID 12785879.

Первичные источники

  1. ↑ Cocconi, G. (1958). "A search for anisotropy of inertia". Il Nuovo Cimento. 10 (4): 646—651. Bibcode:1958NCim...10..646C. doi:10.1007/BF02859800.
  2. ↑ Cocconi, G. (1960). "Upper Limit for the Anisotropy of Inertia from the Mössbauer Effect". Physical Review Letters. 4 (4): 176—177. Bibcode:1960PhRvL...4..176C. doi:10.1103/PhysRevLett.4.176.
  3. ↑ Hughes, V. W. (1960). "Upper Limit for the Anisotropy of Inertial Mass from Nuclear Resonance Experiments". Physical Review Letters. 4 (7): 342—344. Bibcode:1960PhRvL...4..342H. doi:10.1103/PhysRevLett.4.342.
  4. ↑ Drever, R. W. P. (1961). "A search for anisotropy of inertial mass using a free precession technique". Philosophical Magazine. 6 (65): 683—687. Bibcode:1961PMag....6..683D. doi:10.1080/14786436108244418.
  5. ↑ Dicke, R. H. (1961). "Experimental Tests of Mach's Principle". Physical Review Letters. 7 (9): 359—360. Bibcode:1961PhRvL...7..359D. doi:10.1103/PhysRevLett.7.359.
  6. ↑ Prestage, J. D. (1985). "Limits for spatial anisotropy by use of nuclear-spin-polarized Be-9(+) ions". Physical Review Letters. 54 (22): 2387—2390. Bibcode:1985PhRvL..54.2387P. doi:10.1103/PhysRevLett.54.2387. PMID 10031329.
  7. ↑ Phillips, P. R. (1987). "Test of spatial isotropy using a cryogenic spin-torsion pendulum". Physical Review Letters. 59 (5): 1784—1787. Bibcode:1987PhRvL..59.1784P. doi:10.1103/PhysRevLett.59.1784. PMID 10035328.
  8. ↑ Lamoreaux, S. K. (1989). "Optical pumping technique for measuring small nuclear quadrupole shifts in 1S(0) atoms and testing spatial isotropy". Physical Review A. 39 (3): 1082—1111. Bibcode:1989PhRvA..39.1082L. doi:10.1103/PhysRevA.39.1082. PMID 9901347.
  9. ↑ Chupp, T. E. (1989). "Results of a new test of local Lorentz invariance: A search for mass anisotropy in 21Ne". Physical Review Letters. 63 (15): 1541—1545. Bibcode:1989PhRvL..63.1541C. doi:10.1103/PhysRevLett.63.1541. PMID 10040606.
  10. ↑ Wineland, D. J. (1991). "Search for anomalous spin-dependent forces using stored-ion spectroscopy". Physical Review Letters. 67 (13): 1735—1738. Bibcode:1991PhRvL..67.1735W. doi:10.1103/PhysRevLett.67.1735. PMID 10044234.
  11. ↑ Berglund, C. J. (1995). "New Limits on Local Lorentz Invariance from Hg and Cs Magnetometers". Physical Review Letters. 75 (10): 1879—1882. Bibcode:1995PhRvL..75.1879B. doi:10.1103/PhysRevLett.75.1879. PMID 10059152.
  12. ↑ Bear, D. (2000). "Limit on Lorentz and CPT Violation of the Neutron Using a Two-Species Noble-Gas Maser". Physical Review Letters. 85 (24): 5038—5041. arXiv:physics/0007049. Bibcode:2000PhRvL..85.5038B. doi:10.1103/PhysRevLett.85.5038. PMID 11102181.
  13. ↑ Phillips, D. F. (2001). "Limit on Lorentz and CPT violation of the proton using a hydrogen maser". Physical Review D. 63 (11): 111101. arXiv:physics/0008230. Bibcode:2001PhRvD..63k1101P. doi:10.1103/PhysRevD.63.111101.
  14. ↑ Humphrey, M. A. (2003). "Testing CPT and Lorentz symmetry with hydrogen masers". Physical Review A. 68 (6): 063807. arXiv:physics/0103068. Bibcode:2003PhRvA..68f3807H. doi:10.1103/PhysRevA.68.063807.
  15. ↑ Canè, F. (2004). "Bound on Lorentz and CPT Violating Boost Effects for the Neutron". Physical Review Letters. 93 (23): 230801. arXiv:physics/0309070. Bibcode:2004PhRvL..93w0801C. doi:10.1103/PhysRevLett.93.230801. PMID 15601138.
  16. ↑ Wolf, P. (2006). "Cold Atom Clock Test of Lorentz Invariance in the Matter Sector". Physical Review Letters. 96 (6): 060801. arXiv:hep-ph/0601024. Bibcode:2006PhRvL..96f0801W. doi:10.1103/PhysRevLett.96.060801. PMID 16605978.
  17. ↑ Heckel, B. R. (2006). "New CP-Violation and Preferred-Frame Tests with Polarized Electrons". Physical Review Letters. 97 (2): 021603. arXiv:hep-ph/0606218. Bibcode:2006PhRvL..97b1603H. doi:10.1103/PhysRevLett.97.021603. PMID 16907432.
  18. ↑ Heckel, B. R. (2008). "Preferred-frame and CP-violation tests with polarized electrons". Physical Review D. 78 (9): 092006. arXiv:0808.2673. Bibcode:2008PhRvD..78i2006H. doi:10.1103/PhysRevD.78.092006.
  19. ↑ Brown, J. M. (2010). "New Limit on Lorentz- and CPT-Violating Neutron Spin Interactions". Physical Review Letters. 105 (15): 151604. arXiv:1006.5425. Bibcode:2010PhRvL.105o1604B. doi:10.1103/PhysRevLett.105.151604. PMID 21230893.
  20. ↑ M. Smiciklas (2011). "New Test of Local Lorentz Invariance Using a 21Ne-Rb-K Comagnetometer". Physical Review Letters. 107 (17): 171604. arXiv:1106.0738. Bibcode:2011PhRvL.107q1604S. doi:10.1103/PhysRevLett.107.171604. PMID 22107506.
  21. ↑ Peck, S.K. (2012). "New Limits on Local Lorentz Invariance in Mercury and Cesium". Physical Review A. 86 (1): 012109. arXiv:1205.5022. Bibcode:2012PhRvA..86a2109P. doi:10.1103/PhysRevA.86.012109.