1.2: Експериментальні випробування природи часу

Last updated
Save as PDF

Page ID: 77658

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Експеримент Хафеле-Кітінга

У 1971 році J.C. Hafele та R.E. Keating з Військово-морської обсерваторії США привезли атомні годинники на борту комерційних авіалайнерів і поїхали по всьому світу, колись зі сходу на захід і один раз із заходу на схід. ¹ (Годинники мали власні квитки, і зайняли власні місця.) Як і в притчі про Алісу і Бетті, Хафеле та Кітінг зауважили, що існує невідповідність між часом, виміряним мандрівними годинниками, і часом, виміряним подібними годинниками, які залишилися в лабораторії у Вашингтоні. Результатом стало те, що годинник, що йде на схід, втратив певну кількість часу\( \Delta t_E = -59 \pm 10\; ns \), тоді як захід, що йде, отримав один\( \Delta t_W = +273 \pm 7\; ns \). Це встановлює, що час не є універсальним і абсолютним.

Примітка

Гафеле і Кітінг, Наука, 177 (1972), 168

Малюнок 1.2.1.png — Малюнок 1.2.1 - Годинник зайняв два місця, а на нього було куплено два квитки під назвою «Містер Годинник».

Проте причинно-наслідковий зв'язок збереглася. Спостерігалися ефекти наносекундного масштабу були невеликими порівняно з триденною тривалістю поїздок на літаку. Не було можливості для парадоксальних ситуацій, таких як, наприклад, сценарій, коли експериментатор, що йде на схід, прибув назад до Вашингтона перед від'їздом, а потім продовжував переконувати себе не брати поїздку.

Хафеле та Кітінг перевіряли конкретні кількісні прогнози відносності, і вони перевіряли їх у межах смуг помилок свого експерименту. На даний момент у книзі ми не володіємо достатньою відносністю, щоб мати можливість робити такі розрахунки, але, як Аліса та Бетті, ми можемо перевірити емпіричні результати на предмет підказок щодо того, як працює час.

Протилежні ознаки двох результатів говорять про те, що швидкість, в яку час тече, залежить від руху спостерігача. Годинники, що йдуть на схід, рухалися в тому ж напрямку, що і обертання Землі, тому його швидкість відносно центру землі була більшою, ніж у тих, що залишилися у Вашингтоні, тоді як швидкість годинника, що йде на захід, відповідно зменшувалася. ² Ознаки\( \Delta t's \) показують, що рухомі годинники були повільнішими.

Примітка

Ці відмінності в швидкості - це не просто те, що можна усунути, вибравши іншу систему відліку, оскільки рух годинників не знаходиться в прямій лінії. Наприклад, годинники у Вашингтоні мають певне прискорення до земної осі, що відрізняється від прискорень, які відчувають подорожуючі годинники.

З іншого боку, асиметрія результатів, з\( \mid \Delta t_E \mid \ne \mid \Delta t_w \mid \), означає, що був другий ефект, просто через те, що літаки знаходяться в повітрі. Відносність передбачає, що швидкість потоку часу також змінюється з висотою в гравітаційному полі. Більш глибокі причини такого ефекту наведені в розділі 1.5.

Хоча вимірювання Хафеле та Кітінга були на рваному краю сучасного стану в 1971 році, технологія зараз прогресувала до того моменту, коли такі ефекти мають повсякденні наслідки. Супутники Глобальної системи позиціонування (GPS) орбітують зі швидкістю\(\ 1.9 \times 10^3 m/s \), на порядок швидше, ніж комерційний реактивний літак. Їх висота 20 000 км також набагато більша, ніж у літака. З обох цих причин релятивістський вплив на час сильніше, ніж в експерименті Хафеле-Кітінга. Атомні годинник на борту супутників налаштовані на частоту 10.22999999543 МГц, яка сприймається на землі як 10,23 МГц. (Цей зсув частоти буде розрахований в прикладі 11).

мюони

Хоча експеримент Хафела-Кітінга вражаюче прямий, він не був першою перевіркою релятивістських ефектів за часом, він не повністю відокремлював кінематичні та гравітаційні ефекти, і ефект був невеликим. Ранній експеримент, що демонструє великий і чисто кінематичний ефект, був проведений в 1941 році Россі і Холл, які виявили космічні мюони на вершині і базі гори Вашингтон в Нью-Гемпширі. Мюон має середній термін служби 2,2\(\mu\) с, а час польоту між вершиною і низом гори (близько 2 км для мюонів, що прибувають по вертикальному шляху) майже зі швидкістю світла становило близько 7\(\mu\) с, тому при відсутності релятивістських ефектів потік на дні гори повинен були меншими, ніж потік у верхній частині приблизно на порядок. Спостережуваний коефіцієнт був набагато меншим, що свідчить про те, що «годинник», утворені процесами ядерного розпаду, різко сповільнювався рухом мюонів.

Гравітаційні червоні зрушення

Першим експериментом, який виділив гравітаційний вплив на час, був вимір У.С.Адамсом в 1925 році спектра світла, що випромінюється з поверхні білої карликової зірки Сіріуса Б. гравітаційне поле на поверхні Сіріуса Б є\( 4 \times 10^5 g\), а гравітаційний потенціал становить близько 3000 разів більше, ніж на поверхні Землі. Емісійні лінії водню були червоно-зміщені, тобто зменшені по частоті, і цей ефект трактувався як уповільнення часу на поверхні Сіріуса щодо поверхні Землі. Історично склалося так, що маса і радіус Сіріуса не були відомі з кращою точністю на порядок в 1925 році, тому це спостереження не склало хорошого кількісного тесту.

Перший такий експеримент, який буде проведений в контрольованих умовах, Фунтом і Ребкою в 1959 році, кількісно проаналізовано на прикладі 7.

Першим високоточним експериментом такого роду був Gravity Probe A, експеримент 1976 року ³, в якому космічний зонд був запущений вертикально з острова Валлопс, штат Вірджинія, з меншою швидкістю втечі, на висоту 10000 км, після чого він впав назад на землю і розбився в Атлантичному океані. Зонд ніс водневий мазер годинник, який використовувався для управління частотою радіосигналу. Радіосигнал був отриманий на землі, нерелятивістський доплерівський зсув віднімали, а залишковий синій зрушення інтерпретували як вплив гравітаційного впливу на час, узгоджуючи релятивістське прогнозування з точністю 0,01%.

Примітка

Вессот та ін., Фізичні оглядові листи 45 (1980) 2018

Малюнок 1.2.2.png — Малюнок 1.2.2 - Гравітаційний зонд А.