Ајвс-Стилвелов опит

Ајвс-Стилвелов опит — опит чија цел е да се одреди оридонесот на релативистичката временска дилатација на Доплеровото поместување на светлината.^[1][2] Резултатот бил во согласност со формулата за релативистичкиот Доплеров ефект и е првата директна, квантитативна потврда за факторот на временската дилација. Оттогаш многу вакви експерименти се направени со зголемена прецизност. Заедно со експриментите на Микелсон-Морли и на Кенеди-Торндајк ги формираат една од основните тестови за специјалната теорија на релативноста. Други тестови кои го потврдуваат релавистичкиот Доплеров ефект се роторниот експериментот на Mосбауер и модерниот експеримент на Ивес и Стилвел.

Ивес-Стилвеловиот опит (1938). „Канални зраци“ (мешавина од H₂⁺ и H₃⁺ јони) биле забрзувани низ продупчени плочи со полнеж од 6.788 до 18.350 волти. Зракот и неговта одбиена слика биле истовремено набљудувани со помош на вдлабнато огледало на 7° од зракот.^[1] (The offset in this illustration is exaggerated.)

Временската дилација и релативистичкиот доплеров ефект били предвидени од Алберт Ајнштајн во неговата сторија во 1905. Ајнштај исто така во 1907 г. предложил експеримент врз основа на мерењата на релативните честоти на светлината согледани како движечки извор на светлина од страна на набљудувачот, каде го пресметал дополнителниот Доплеров ефект поради временската дилација. Овој ефект подоцна бил наречен „Попречен Доплеров ефект“(ПДЕ) , зотоа што во почетокот се мислело експериментите да бидат изведувани под прави агли во однос на подвижниот извор, за да се одбегне влијанието на надолжниот Доплеров ефект. На крајот Херберт Ивес и Г.Р. Стилвел ја отфрлиле идејата за мерење на овој фкт од прави агли. Тие користеле зраци во надолжни насоки и нашле начин да ја одвојат помалиот ПДЕ од многу поголемите надолжни доплерови ефекти. Експериментот бил изведен во 1938^[1] и бил извден уште неколкупати подоцна (Погледјте го примерот^[2]). Слични експерименти биле изведени со зголемена прецизност од страна на Отинг(1939), Манделбер (1962) и Хаселкамп (1979).

Опити со употреба на „канални зраци“

Опитите од 1938

Ивес забележа дека е скоро невозножно да се пресмета попречниот доплеров ефект со светлински зраци емитирани од канални зраци под прави агли во правецот на движењето на каналните зраци, зошто влијанието тешко може да биде исклучено. Затоа развил метод за да го набљудува ефектот во надолжниот правец на движењето на каналните зраци. Ако се земе во обзир дека брзината на светлината е фиксирана во однос на набљудувачот, тогаш предните и задните Доплерово сменети честоти согледани на движечки објект ќе бидат:

${\displaystyle {\frac {f_{o}}{f_{s}}}={\frac {c}{c\pm v}},}$

каде v е намалувачка брзина. Под специјалната теорија, двете честоти исто така ќе вклучат и дополнителна исправка на Лоренцовиот фактор претставена од ПДЕ формулата:

${\displaystyle {\frac {f_{o}}{f_{s}}}={\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$

Кога ќе ги претвориме овие врски за тие да се однесуваат на бранови должини а не на честоти, класичната теорија предвидува црвените и сините бранови должини дека имаат вредности од 1 + v/c и 1 − v/c, значи ако сите три бранови должини (црвената, сината и оригиналната) се маркирани на линеарна скала, според класичната теорија трите би требало еднакво да се оддалечени.

${\displaystyle |\cdot \cdot \cdot \cdot \cdot |\cdot \cdot \cdot \cdot \cdot |\,}$

Но според специјалната теорија нема да бидат подеднакво оддалечени.

${\displaystyle |\cdot \cdot \cdot \cdot |\cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot |\,}$

Ивес и Стилвел дознале дека има значајна спротивности од центарот на гравитација од трите должинии заради тоа Доплеровите односи не се од класичната теорија.

Зошто е тешко точно да се измери релативистичкиот Доплеров ефект користејќи попречен бран.Илустрацијата ги покажува резултатите од обидот за мерење на 4861Å, линија емитирана од „канални зраци“ додека тие се рекомбинираат со електрони откачени од разреден водороден гас кој бил искористен да се наполнат каналните зраци. Со v=0.005 c, предвидениот резултат од ТДЕ би бил 4861,06Å. На левата страна, Конвеционална доплерова смена доведува до проширување на емисионата линија до таа граница каде ТДЕ не може да се гледа. Во средината гледаме дека ако го стеснеме погледот до точната средина на зракот многу мали девијации од зракот под прав агол покажуваат смени слични до предвидениот ефект. Ајвс и Стилвел искористиле конкавно огледало кое им овозможило едновремено набљудување на надолжен директен бран (сино) и неговата рефлектирана слика (црвено). Спектроскопски, три линии би биле забележани: непоместената емисиона линија, сината и црвената изместена линија. Просеците на изместените линии биле споредени со неизместената линија.

Опитот од 1941

Во екцпериментот од 1938 максимумот на ПДЕ бил лимитиран на 0,047 Å. Главната потешкотија која Ивес и Стилвел ја сретнале во обиди за поголеми менувања е тоа што кога ќе го зголемеле електричниот потенцијал помеѓу забрзувачките електроди повеќе од 20,000 волти, расипувања и искри се појавувале кое можеле да ја уништат тубата. Овој проблем бил надминат со користење на повеќе електроди. Користејќи четворо електродна верзија на каналните зраци со 3 празнини,се достигнала тотална потенцијална разлика од 43,000 волти. Пад на напон од 5,000 волти била користен во првата празнина додека останатиот напонски пад бил користен од другите две празнини. Со оваа туба биле достигнати највисоки 11 Å За H2+ јони. Други аспекти од експериментот биле подобрени. Препазливи тестови дека честичките кои се наоѓаат во централната линија стекнале мала брзина оформиле во истата насока на движење како и движечките честички.

Мосбауерови вртежни обиди

Релативистички Доплеров ефект

Малце попрецизна потврда на Релативистички доплеров ефект е постигната со Мосбауеровите роторни експерименти. Извор во средината на вртечки диск, гама-зраци се праќаат до примач кај обрачот. Поради вртечката брзина на примачот, фрекбенцијата на апсорбција се намалува ако постои ПДЕ. Овој ефект всушност бил набљудуван користејќи го Мосбауеровиот ефект. Максималната девијација од временската дилатација била 10−5 на тој начин прецизноста била многу повисока од таа на експериментот на Ивес и Стилвел.

Изотропност на брзината на светлината

Мосбауеровите роторни експерименти исто така биле користени за мерење на можна анисотропија на брзината на светлината. Можно е етер од ветер направи вознемирувачко влијание врз честотата на апсорпција. Меѓутоа како во сите експерименти со етер, резултатот бил негативен поставувајќи етер со брзина од 3-4 м/с.

Современи експерименти

Брзо движечки часовници

Значително поголема прецизност била постигната во модерните вариации на Ивес-Стилвелов експеримент. Во тешки прстени за складирање како ТСР во MПИK или ЕСР во ГСИ Хелмхолтц Центар за Тешки јони, доплеровата смена на јони од литиум движејќи се со голема брзина се оценети со користење во заситена спектоскопија.

${\displaystyle {\frac {\nu _{a}\nu _{p}}{\nu _{1}\nu _{2}}}=1+2{\hat {\alpha }}\beta ^{2}}$

${\displaystyle {\frac {\nu _{a}\nu _{p}}{\nu _{0}^{2}}}=1+2{\hat {\alpha }}\beta ^{2}}$

Автор	Година	Брзина	Горна граница ${\displaystyle |{\hat {\alpha }}|}$
Гризер и др.[3]	1994	0,064 c	≤ 8⋅10-7
Сатхоф и др.[4]	2003	0,064 c	≤ 2⋅10-7
Рајнхард и др.[5]	2007	0,03 c и 0,064 c	≤ 8⋅10-8
Новотни и др.[6]	2009	0,338 c	≤ 1⋅10-6
Ботерман и др.[7]	2014	0,338 c	≤ 2⋅10-8

Споро движечки часовници

Мерењето на временската дилација може да се изврши и во секојдневни брзини. Чоу создал два часовника кои се држеле меѓусебе со единствен Al+ во замка на Паул. Во едниот часовник Al+ јон бил придружен од Be+ јон додека во другиот бил придружен со Mg+ јон. Двата часовника биле оставени во посебни лаборатории и поврзани со оптички кабел долг 75м, за да разменуваат сигнали. Овие атомички часовници емитирале честоти во петахерци (1 PHz = 1015 Hz)и имале несигурности во честотие.

Поврзано