Experimentele lui Hughes și Drever (de asemenea, experimente de comparare a ceasului, izotropie de masă sau izotropie de energie) sunt teste spectroscopice ale izotropiei de masă și spațiu . Deși a fost conceput inițial ca un test al principiului lui Mach , acum este înțeles ca un test important al invarianței Lorentz . Ca și în experimentul Michelson-Morley , se poate testa existența unui cadru de referință preferat sau a altor abateri de la invarianța Lorentz, care afectează și validitatea principiului echivalenței . Astfel, aceste experimente ating aspectele fundamentale atât ale speciale , cât șiteoria generală a relativității . Spre deosebire de experimentele de tip Michelson-Morley, experimentele lui Hughes și Drever testează izotropia interacțiunilor materiei în sine, adică protonii , neutronii și electronii . Precizia obținută face ca acest tip de experiment să fie una dintre cele mai precise confirmări ale teoriei relativității (vezi și Teste de relativitate specială ) [A 1] [A 2] [A 3] [A 4] [A 5] [A 6 ] .
Giuseppe Cocconi și Edwin Ernest Salpeter (1958) au propus că inerția depinde de masele din jur în conformitate cu principiul lui Mach . Astfel, o distribuție neuniformă a materiei ar duce la anizotropia inerției în direcții diferite. Argumentele euristice i-au determinat să creadă că pentru orice anizotropie de inerție, dacă există, contribuția de masă din centrul galaxiei noastre Calea Lactee ar domina . Ei au susținut că această anizotropie poate fi observată în două moduri: prin măsurarea divizării Zeeman într-un atom [1] sau prin măsurarea divizării Zeeman într-o stare nucleară excitată . 57
Fe folosind efectul Mössbauer [2] .
Vernon W. Hughes și colaboratorii (1960) [3] și Ronald Drever (1961) [4] au efectuat independent experimente spectroscopice similare pentru a testa principiul lui Mach. Cu toate acestea, ei nu au folosit efectul Mössbauer, ci au efectuat măsurători de rezonanță magnetică ale nucleului de litiu-7 , a cărui stare fundamentală are un spin de 3 ⁄ 2 . Starea fundamentală se împarte în patru niveluri echidistante de energie magnetică atunci când este măsurată într-un câmp magnetic conform numerelor cuantice magnetice permise . Funcțiile de undă nucleară pentru diferite niveluri de energie au distribuții spațiale diferite în raport cu câmpul magnetic și, prin urmare, au proprietăți direcționale diferite. Dacă se observă izotropia de masă, fiecare tranziție între o pereche de niveluri adiacente trebuie să emită un foton de aceeași frecvență, rezultând o singură linie spectrală ascuțită. Pe de altă parte, dacă inerția este dependentă de direcție, trebuie observată o linie de rezonanță triplă sau lărgită. În timpul versiunii de 24 de ore a experimentului lui Drever, Pământul s-a rotit, iar axa câmpului magnetic a acoperit diferite părți ale cerului. Drever a acordat o atenție deosebită comportamentului liniei spectrale atunci când câmpul magnetic traversează centrul galaxiei [A 7] . Nici Hughes, nici Drever nu au observat o schimbare de frecvență a nivelurilor de energie și, datorită preciziei ridicate a experimentelor lor, anizotropia maximă a putut fi limitată la 0,04 Hz = 10 -25 GeV .
În ceea ce privește implicațiile rezultatului nul pentru principiul lui Mach, Robert H. Dicke (1961) a arătat că este în concordanță cu acest principiu dacă anizotropia spațială este aceeași pentru toate particulele. Astfel, rezultatul nul arată mai degrabă că efectele anizotropiei inerției, dacă există, sunt universale pentru toate particulele și nu sunt observabile local [5] .
Deși motivația acestui experiment a fost testarea principiului lui Mach, acesta a devenit de atunci testul acceptat al invarianței Lorentz și, prin urmare, al relativității speciale . Acest lucru se datorează faptului că efectele de anizotropie apar și în prezența unui cadru de referință preferat și care încalcă Lorentz, care este de obicei identificat cu cadrul de odihnă CMB ca un fel de eter luminifer (viteză relativă de aproximativ 368 km/s) . Prin urmare, rezultatele negative ale experimentelor Hughes și Drever (precum și ale experimentelor Michelson-Morley ) exclud existența unui astfel de cadru de referință. În special, testele lui Hughes și Drever pentru încălcări ale invarianței Lorentz sunt adesea descrise de teoria testului relativității speciale , prezentată de Clifford Will . Conform acestui model, încălcările invarianței Lorentz în prezența cadrelor de referință preferate pot duce la diferențe între viteza maximă realizabilă a particulelor masive și viteza luminii. Dacă ar fi diferite, proprietățile și frecvențele interacțiunilor materiei s-ar schimba și ele. În plus, o consecință fundamentală a principiului de echivalență al relativității generale este că invarianța Lorentz este satisfăcută local în cadre de referință care se mișcă liber (invarianța Lorentz locală). Aceasta înseamnă că rezultatele acestui experiment se referă atât la relativitatea specială, cât și la relativitatea generală [A 1] [A 2] .
Deoarece sunt comparate diferite frecvențe („ceasuri”), aceste experimente sunt denumite și experimente de comparare a ceasurilor [A 3] [A 4] .
Pe lângă încălcările invarianței Lorentz datorate cadrului de referință preferat sau influențelor bazate pe principiul Mach, există și căutări de încălcări spontane ale invarianței Lorentz și simetriei CPT , motivate de predicții ale diferitelor modele de gravitație cuantică care își asumă existența. Au fost efectuate versiuni moderne ale experimentelor lui Hughes și Drever pentru a studia posibila încălcare a invarianței Lorentz și a invarianței CPT în neutroni și protoni . Utilizarea sistemelor cu polarizare de spin și a comagnetometrelor (pentru a suprima influențele magnetice) a crescut semnificativ acuratețea și sensibilitatea acestor experimente. În plus, sectorul electronic [A 5] [A 6] a fost testat, de asemenea, utilizând o balanță de torsiune polarizată de spin .
Toate aceste experimente au dat până acum rezultate negative, așa că nu există niciun semn de cadru de referință preferat sau orice altă formă de încălcare a lui Lorentz. Valorile din tabelul următor sunt legate de coeficienții dați de Standard Model Extension (SME), o teorie eficientă a câmpului des folosită pentru a evalua posibile încălcări ale invarianței Lorentz (vezi și alte teorii ale testelor de relativitate specială). Prin urmare, orice abatere de la invarianța Lorentz poate fi asociată cu coeficienți specifici. Deoarece în aceste experimente sunt testați un număr de coeficienți, este dată doar valoarea sensibilității maxime (pentru date exacte, vezi articolele separate): [A 3] [A 8] [A 4] .
| Autor | An | restricții pentru IMM-uri | Descriere | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Proton | Neutroni | Elnetron | |||
| Prestage și colab. [6] | 1985 | 10 −27 | Comparația tranziției nucleare cu spin flip9 Fii în capcana Penning și legătura radio cu hidrogen neutru . | ||
| Phillips [7] | 1987 | 10 −27 | Au fost studiate oscilațiile armonice ale unui pendul de torsiune criogenic care poartă un magnet polarizat transversal. | ||
| Lamoreaux et al. [opt] | 1989 | 10 −29 | A fost indusă polarizarea spin dipol și cvadrupol201 Hg pereche pentru care s-au observat deplasări de energie quadrupol. | ||
| Chupp și colab. [9] | 1989 | 10 −27 | Este studiată împărțirea cvadrupolului dependentă de timp a nivelurilor Zeeman. gazele21 Ne şi3 El este polarizat prin schimbul de spin și comparat. | ||
| Wineland și colab. [zece] | 1991 | 10 −25 | Cuplajele anormale dipol-monopol și dipol-dipol sunt investigate prin studierea rezonanțelor hiperfine în9 Fii . | ||
| Berglund şi colab. [unsprezece] | 1995 | 10 −27 | 10 −30 | 10 −27 | Frecvențele de 199 Hg și 133 Cs au fost comparate într-un câmp magnetic. |
| Bear și colab. [12] | 2000 | 10 −31 | Au fost comparate frecvențele129 Xe și3 El într-un câmp magnetic. | ||
| Phillips și colab. [13] | 2000 | 10 −27 | Frecvența Zeeman a maserului cu hidrogen. | ||
| Humphrey și colab. [paisprezece] | 2003 | 10 −27 | 10 −27 | În mod similar, Phillips și colab. (2000). | |
| Cane și colab. [cincisprezece] | 2004 | 10 −32 | Similar cu Bear et al. (2000). | ||
| Wolf și colab. [16] | 2006 | 10 −25 | Frecvențele atomice sunt măsurate folosind fântâni atomice răcite cu laser133 Cs . | ||
| Heckel şi colab. [17] | 2006 | 10 −30 | Au folosit un pendul de torsiune cu patru secțiuni în Alnico și patru secțiuni în Sm 5 Co. | ||
| Heckel şi colab. [optsprezece] | 2008 | 10 −31 | În mod similar, Heckel și colab. (2006). | ||
| Brown şi colab. [19] | 2010 | 10 −32 | 10 −33 | Comparație de frecvență K /3 El comagnetometru. | |
| Smiciklas et al. [douăzeci] | 2011 | 10 −29 | Comparația frecvențelor în21 Comagnetometru Ne / Rb / K . Verificarea vitezei maxime a neutronilor realizabile. | ||
| Peck și colab. [21] | 2012 | 10 −30 | 10 −31 | În mod similar, Berglund și colab. (1995). | |
| Verificarea experimentală a relativității speciale | |
|---|---|
| Viteză/izotropie | |
| Invarianța Lorentz |
|
| Dilatarea timpului Contractia Lorentz |
|
| Energie |
|
| Fizeau/Sagnac | |
| Alternative | |
| General |
|