Experimento de Ives-Stilwell

El experimento de Ives-Stilwell probó la contribución de la dilatación del tiempo relativista al cambio Doppler en la frecuencia de la luz [1] [2] . El resultado fue consistente con la fórmula del efecto Doppler transversal y se convirtió en la primera confirmación cuantitativa directa del factor de dilatación del tiempo. Desde entonces, se han llevado a cabo muchos experimentos del tipo Yves-Stilwell con una precisión cada vez mayor. Junto con los experimentos de Michelson-Morley y Kennedy-Thorndike , constituye una de las pruebas fundamentales de la teoría especial de la relatividad [3] . Otras pruebas que confirman el efecto Doppler relativista son el experimento del rotor de Mössbauer y los experimentos modernos de Ives-Stilwell.

Tanto la dilatación del tiempo como el efecto Doppler relativista fueron predichos por Albert Einstein en su artículo seminal de 1905 [4] . Posteriormente, Einstein (1907) propuso un experimento basado en medir las frecuencias relativas de la luz percibida como proveniente de una fuente de luz que se mueve con respecto al observador, y calculó el desplazamiento Doppler adicional debido a la dilatación del tiempo [5] . Este efecto se denominó más tarde "efecto Doppler transversal" (TDE) porque originalmente se supuso que tales experimentos se realizaban en ángulo recto con la fuente en movimiento para evitar la influencia del desplazamiento Doppler longitudinal. Eventualmente, Herbert E. Yves y G. R. Stilwell (creyendo que la dilatación del tiempo era una consecuencia de la teoría de Lorentz y Larmor ) abandonaron la idea de medir este efecto en ángulos rectos. Utilizaron haces en la dirección longitudinal y encontraron una manera de separar el efecto Doppler transversal mucho más pequeño del efecto Doppler longitudinal mucho más grande. El experimento se estableció en 1938 [1] y se repitió muchas veces [2] . Experimentos similares se llevaron a cabo varias veces con una precisión creciente, por ejemplo, Oetting (1939) [6] , Mandelberg et al. (1962) [7] , Hasselkamp et al. (1979) [8] y Botermann et al. [9] .

Experimentos con "rayos anódicos"

Experimento de 1938

Ives notó que era casi imposible medir el efecto Doppler transversal con respecto a los rayos de luz emitidos por los haces de ánodo en ángulo recto a su dirección de viaje (como lo consideró anteriormente Einstein), ya que difícilmente se puede excluir la influencia de la influencia longitudinal. Por lo tanto, desarrolló un método para observar el efecto en la dirección longitudinal de los haces de ánodo. Suponiendo que la velocidad de la luz es fija con respecto al observador ("teoría clásica"), entonces las frecuencias con desplazamiento Doppler hacia adelante y hacia atrás observadas en un objeto en movimiento serán

donde v  es la velocidad de escape. En relatividad especial, las dos frecuencias también incluirán una corrección de corrimiento al rojo adicional, el factor de  Lorentz , representado por la fórmula del efecto Doppler transversal.

Al invertir estas relaciones para que se refieran a longitudes de onda en lugar de frecuencias, la "teoría clásica" predice longitudes de onda con desplazamientos al rojo y al azul de 1 + v / c y 1 − v / c , por lo que si las tres longitudes de onda (desplazadas a rojo, azul y original) están marcados en una escala lineal, según la teoría clásica, las tres marcas deben estar espaciadas perfectamente uniformemente:

Cuando la luz se desplaza como predice la relatividad especial, el desplazamiento de Lorentz adicional significa que las dos marcas exteriores se desplazarán en la misma dirección con respecto a la marca central:

Yves y Stilwell encontraron que el centro de gravedad de las tres marcas se desplazó significativamente y, por lo tanto, la relación Doppler no era consistente con la "teoría clásica".

Este enfoque tenía dos ventajas principales:

1. No requería conocer el valor exacto de la velocidad involucrada (que podría depender de la teoría).
2. No requería una comprensión o interpretación de los efectos de la aberración angular, como podría requerirse para analizar una prueba transversal "real". La "prueba de la cruz verdadera" fue realizada casi 40 años después por Hasselkamp en 1979 [8]

Experimento de 1941

En el experimento de 1938, el efecto Doppler transversal máximo se limitó a 0,047  Å . La principal dificultad que encontraron Yves y Stilwell al tratar de lograr grandes cambios fue que cuando aumentaban el potencial eléctrico entre los electrodos de aceleración por encima de los 20.000 voltios, se producían rupturas y chispas, lo que podía conducir a la destrucción del tubo.

Esta dificultad se superó mediante el uso de múltiples electrodos. Utilizando una versión de cuatro electrodos del tubo de rayos de ánodo de tres espacios, se podría lograr una diferencia de potencial total de 43.000 voltios. Se usó una caída de voltaje de 5000 voltios en el primer tramo y la caída de voltaje restante se compartió entre el segundo y el tercer tramo. Con este tubo se consigue un desplazamiento máximo de 0,11 Å para los iones H 2 + .

También se han mejorado otros aspectos del experimento. Cuidadosos experimentos han demostrado que las partículas "no desplazadas" , que forman la línea central, adquieren una pequeña velocidad que se les imparte en la misma dirección de movimiento que las partículas en movimiento (no más de unos 750 m/s ). En condiciones normales, esto no importaría, ya que el resultado de este efecto sería solo una ligera ampliación aparente de las imágenes directa y reflejada de la línea central. Pero si el espejo fuera oscuro, uno esperaría que la línea central se desplazara ligeramente. Se realizaron otros controles para abordar varias objeciones de los críticos del experimento original.

El resultado final de toda esta atención al detalle fue la verificación completa de los resultados de Ives y Stilwell de 1938 y la extensión de esos resultados a velocidades más altas [2] .

Experimentos con el rotor Mössbauer

Efecto Doppler relativista

Se obtuvo una confirmación más precisa del efecto Doppler relativista en experimentos con un rotor Mössbauer. Desde una fuente en el medio de un disco giratorio, los rayos gamma se dirigen a un absorbedor en el borde (en algunas versiones, este esquema se invirtió) y se ubicó un contador estacionario detrás del absorbedor. De acuerdo con la teoría de la relatividad, la frecuencia de resonancia característica de la absorción de un absorbedor en movimiento en el borde debería disminuir debido a la dilatación del tiempo, por lo que aumenta la transmisión de rayos gamma a través del absorbedor, que posteriormente se mide mediante un contador estacionario detrás del absorbedor. . De hecho, este efecto se ha observado con el efecto Mössbauer . La desviación máxima de la dilatación del tiempo fue 10-5 , por lo que la precisión fue mucho mayor que la precisión ( 10-2 ) en los experimentos de Ives-Stilwell. Tales experimentos fueron llevados a cabo por Hay et al. (1960) [10] Champeney et al. (1963, 1965) [11] [12] y Kündig (1963) [13] .

Isotropía de la velocidad de la luz

Los experimentos con rotores de Mössbauer también se han utilizado para medir la posible anisotropía en la velocidad de la luz. Es decir, un posible viento etéreo debería tener un efecto perturbador en la frecuencia de absorción. Sin embargo, como en todos los demás experimentos sobre el viento de éter (el experimento de Michelson-Morley ), el resultado fue negativo y el límite superior del viento de éter fue de 2,0 cm/s. Experimentos de este tipo fueron realizados por Champeney & Moon (1961) [14] , Champeney et al. (1963) [15] , Turner & Hill (1964) [16] y Preikschat bajo Isaac (1968) [17] .

Experimentos modernos

Reloj de movimiento rápido

Se ha logrado una precisión significativamente mayor en las variaciones modernas de los experimentos de Ives-Stilwell. En tanques de almacenamiento de iones pesados , como TSR en MPIK o ESR en el Instituto de Iones Pesados , el desplazamiento Doppler de iones de litio de alta velocidad [18] se calcula mediante espectroscopia de saturación o doble resonancia optoóptica.

Debido a las frecuencias emitidas, estos iones pueden verse como relojes atómicos ópticos de alta precisión . Utilizando el método de Mansouri-Sexl [19] , una posible desviación de la teoría de la relatividad especial se puede cuantificar mediante la fórmula[ aclarar ]

donde  es la frecuencia del haz de láser que se propaga en sentido antiparalelo al haz de iones y  es la frecuencia del haz de láser que se propaga en paralelo al haz de iones. y  son las frecuencias de las transiciones en reposo. ,  es la velocidad de los iones y  es la velocidad de la luz . En el caso de la espectroscopia de saturación, la fórmula cambia a

donde  es la frecuencia de la transición en reposo. En el caso de validez de la teoría especial de la relatividad es igual a cero.

Autor	Año	Velocidad	Limite superior
Grieser y otros [20]	1994	0,064 s	≤  8⋅10 -7
Saathoff y otros [21]	2003	0,064 s	≤  2⋅10 -7
Reinhardt y otros [22]	2007	0,03 segundos , 0,064 segundos	≤  8⋅10 -8
Novotny y otros [23]	2009	0,338 s	≤  1⋅10 -6
Botermann y otros [9]	2014	0,338 s	≤  2⋅10 -8

Reloj de movimiento lento

Mientras tanto, también se ha realizado la medición de la dilatación del tiempo a velocidades cotidianas. Chow y otros (2010) crearon dos relojes, cada uno con un ion 27Al+ en una trampa de Paul . En uno de los relojes, el ion Al + iba acompañado del ion 9Be + como “ion lógico”, y en el otro se utilizaba el ion 25Mg + . Los dos relojes estaban en diferentes laboratorios y estaban conectados a fibra óptica de fase estabilizada de 75 m para intercambiar señales de reloj. Estos relojes atómicos ópticos emitían frecuencias en petahercios (1 Hz = 10 15  Hz) y tenían errores de frecuencia en el rango de 10 −17 . Con este reloj, fue posible medir el cambio de frecuencia debido a la dilatación del tiempo en alrededor de 10 −16 a velocidades inferiores a 36 km/h (< 10 m/s, la velocidad de un corredor rápido) comparando las velocidades de movimiento y reposo iones de aluminio También fue posible detectar la dilatación del tiempo gravitacional por la diferencia de altura entre dos relojes de 33 cm [24] .

Notas

1. ↑ 1 2 3 Ives, HE (1938). “Un estudio experimental de la velocidad de un reloj atómico en movimiento”. Revista de la Sociedad Óptica de América . 28 (7): 215. Bibcode : 1938JOSA...28..215I . DOI : 10.1364/JOSA.28.000215 .
2. ↑ 1 2 3 Ives, HE (1941). “Un estudio experimental de la velocidad de un reloj atómico en movimiento. II". Revista de la Sociedad Óptica de América . 31 (5): 369. Bibcode : 1941JOSA...31..369I . DOI : 10.1364/JOSA.31.000369 .
3. ↑ Robertson, HP (1949). “Postulado versus Observación en la Teoría Especial de la Relatividad” (PDF) . Reseñas de Física Moderna . 21 (3): 378-382. Código Bib : 1949RvMP...21..378R . DOI : 10.1103/RevModPhys.21.378 . Archivado desde el original el 24 de octubre de 2018 . Consultado el 28-01-2022 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
4. ↑ Einstein, Alberto (1905). Zur Elektrodynamik bewegter Körper . Annalen der Physik . 322 (10): 891-921. Código Bib : 1905AnP...322..891E . DOI : 10.1002/andp.19053221004 . Archivado desde el original el 09/01/2022 . Consultado el 28-01-2022 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda ) Traducción al inglés: 'Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento' Archivado desde el original el 1 de febrero de 2013.
5. ↑ Einstein, Alberto (1907). “Über die Möglichkeit einer neuen Prüfung des Relativitätsprinzips” (PDF) . Annalen der Physik . 328 (6): 197-198. Código Bib : 1907AnP...328..197E . DOI : 10.1002/andp.19073280613 . Archivado (PDF) desde el original el 24 de septiembre de 2015 . Consultado el 28-01-2022 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
6. ↑ Oting, G. (1939). "Der quadratische Dopplereffekt". Physikalische Zeitschrift . 40 : 681-687.
7. ↑ Mandelberg, Hirsch I. (1962). “Comprobación experimental del efecto doppler relativista”. Revista de la Sociedad Óptica de América . 52 (5): 529. Bibcode : 1962JOSA...52..529M . doi : 10.1364/ josa.52.000529 .
8. ↑ 1 2 Hasselkamp, ​​D. (1979-06-01). “Observación directa del desplazamiento Doppler transversal”. Piel Zeitschrift Physik A . 289 (2): 151-155. Código Bib : 1979ZPhyA.289..151H . DOI : 10.1007/BF01435932 .
9. ↑ 1 2 Botermann, Benjamin (septiembre de 2014). “Prueba de dilatación del tiempo usando iones de Li + almacenados como relojes a velocidad relativista”. Cartas de revisión física . 113 . arXiv : 1409.7951 . Código Bib : 2014PhRvL.113l0405B . DOI : 10.1103/PhysRevLett.113.120405 . PMID25279611  . _
10. ↑ Heno, HJ (1960). “Medición del Desplazamiento hacia el Rojo en un Sistema Acelerado Utilizando el Efecto Mössbauer en 57 Fe”. Cartas de revisión física . 4 (4): 165-166. Código Bib : 1960PhRvL...4..165H . DOI : 10.1103/PhysRevLett.4.165 .
11. ↑ Champeney, DC (1963). “Medición de la Dilatación Relativista del Tiempo usando el Efecto Mössbauer”. naturaleza _ 198 (4886): 1186-1187. Código Bib : 1963Natur.198R1186C . DOI : 10.1038/1981186b0 .
12. ↑ Champeney, DC (1965). “Un experimento de dilatación del tiempo basado en el efecto Mössbauer”. Actas de la Sociedad Física . 85 (3): 583-593. Código Bib : 1965PPS....85..583C . DOI : 10.1088/0370-1328/85/3/317 .
13. ↑ Kundig, Walter (1963). “Medición del Efecto Doppler Transversal en un Sistema Acelerado”. Revisión física . 129 (6): 2371-2375. Código Bib : 1963PhRv..129.2371K . DOI : 10.1103/PhysRev.129.2371 .
14. ↑ Champeney, DC (1961). “Ausencia de desplazamiento Doppler para fuente de rayos gamma y detector en la misma órbita circular”. Actas de la Sociedad Física . 77 (2): 350-352. Código Bib : 1961PPS....77..350C . DOI : 10.1088/0370-1328/77/2/318 .
15. ↑ Champeney, DC (1963). “Un experimento de 'deriva del éter' basado en el efecto Mössbauer”. Letras de física . 7 (4): 241-243. Código Bib : 1963PhL.....7..241C . DOI : 10.1016/0031-9163(63)90312-3 .
16. ↑ Turner, KC (1964). "Nuevo límite experimental en interacciones de relojes y materia distante dependientes de la velocidad". Revisión física . 134 (1B): 252-256. Código Bib : 1964PhRv..134..252T . DOI : 10.1103/PhysRev.134.B252 .
17. ↑ (Tesis) . Consultado el 12 de noviembre de 2018 . |title=vacío o faltante ( ayuda );|access-date=requiere |url=( ayuda )
18. ^ Experimento de litio SRT GSI-YouTube . Consultado el 28 de enero de 2022. Archivado desde el original el 28 de enero de 2022. (indefinido)
19. ↑ Mansouri, R. (1977). "Una teoría de prueba de la relatividad especial I-III". general rel. gravedad _ 8 (7): 497, 515, 809. Bibcode : 1977GReGr...8..497M . DOI : 10.1007/BF00762634 .
20. ↑ Grieser, R. (1994). “Una prueba de relatividad especial con iones de litio almacenados” . Física Aplicada B: Láseres y Óptica . 59 (2): 127-133. Código Bib : 1994ApPhB..59..127G . DOI : 10.1007/BF01081163 . Archivado desde el original el 28 de enero de 2022 . Consultado el 28-01-2022 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
21. ↑ Saathoff, G. (2003). "Prueba mejorada de la dilatación del tiempo en la relatividad especial". física Rvdo. Lett . 91 (19): 190403. Bibcode : 2003PhRvL..91s0403S . DOI : 10.1103/PhysRevLett.91.190403 . PMID  14611572 .
22. ↑ Reinhardt, S. (2007). “Prueba de dilatación relativista del tiempo con relojes atómicos ópticos rápidos a diferentes velocidades”. Física de la naturaleza . 3 (12): 861-864. Código Bib : 2007NatPh...3..861R . doi : 10.1038/ nphys778 .
23. ↑ Novotny, C. (2009). “Espectroscopía láser sub-Doppler sobre haces relativistas y pruebas de invariancia de Lorentz”. Examen físico A. 80 (2): 022107. Código Bib : 2009PhRvA..80b2107N . DOI : 10.1103/PhysRevA.80.022107 .
24. ↑ Chou, CW (2010). Relojes Ópticos y Relatividad . ciencia _ 329 (5999): 1630-1633. Código Bib : 2010Sci...329.1630C . DOI : 10.1126/ciencia.1192720 . PMID20929843  ._ _ Archivado desde el original el 28 de enero de 2022 . Consultado el 28-01-2022 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )