Hughes-Drever-Experiment - Hughes–Drever experiment
Hughes-Drever-Experimente (auch Uhrenvergleichs-, Uhrenanisotropie-, Massenisotropie- oder Energieisotropieexperimente) sind spektroskopische Tests der Isotropie von Masse und Raum . Obwohl es ursprünglich als Test des Mach-Prinzips gedacht war , wird es heute als wichtiger Test der Lorentz-Invarianz verstanden . Wie in Michelson-Morley-Experimenten kann die Existenz eines bevorzugten Bezugssystems oder andere Abweichungen von der Lorentz-Invarianz getestet werden, was auch die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips beeinflusst . Somit betreffen diese Experimente grundlegende Aspekte sowohl der speziellen als auch der allgemeinen Relativitätstheorie . Im Gegensatz zu Michelson-Morley-Experimenten testen Hughes-Drever-Experimente die Isotropie der Wechselwirkungen von Materie selbst, d. h. von Protonen , Neutronen und Elektronen . Die erreichte Genauigkeit macht diese Art von Experimenten zu einer der genauesten Bestätigungen der Relativitätstheorie (siehe auch Tests der speziellen Relativitätstheorie ).
Experimente von Hughes und Drever
Giuseppe Cocconi und Edwin Ernest Salpeter (1958) stellten die Theorie auf, dass die Trägheit nach dem Mach-Prinzip von den umgebenden Massen abhängt . Eine ungleichmäßige Verteilung der Materie würde somit zu einer Anisotropie der Trägheit in verschiedene Richtungen führen. Heuristische Argumente führten sie zu der Annahme, dass jede Trägheitsanisotropie, falls vorhanden, von Massenbeiträgen aus dem Zentrum unserer Milchstraße dominiert würde . Sie argumentierten, dass diese Anisotropie auf zwei Arten beobachtet werden könnte: durch Messung der Zeeman-Aufspaltung in einem Atom oder durch Messung der Zeeman-Aufspaltung im angeregten Kernzustand von57
Fe
unter Verwendung des Mößbauer-Effekts .
Vernon W. Hughes et al. (1960) und Ronald Drever (1961) führten unabhängig voneinander ähnliche spektroskopische Experimente durch, um das Mach-Prinzip zu testen. Sie nutzten jedoch nicht den Mößbauer-Effekt, sondern führten Magnetresonanzmessungen des Kerns von Lithium- 7 durch, dessen Grundzustand einen Spin von 3 ⁄ 2 besitzt . Der Grundzustand wird bei Messung in einem Magnetfeld entsprechend seiner zulässigen magnetischen Quantenzahl in vier gleich beabstandete magnetische Energieniveaus aufgespalten . Die Kernwellenfunktionen für die unterschiedlichen Energieniveaus haben unterschiedliche räumliche Verteilungen relativ zum Magnetfeld und damit unterschiedliche Richtungseigenschaften. Wenn die Massenisotropie erfüllt ist, sollte jeder Übergang zwischen einem Paar benachbarter Niveaus ein Photon gleicher Frequenz emittieren, was zu einer einzelnen scharfen Spektrallinie führt. Wenn die Trägheit dagegen richtungsabhängig ist, sollte ein Triplett oder eine verbreiterte Resonanzlinie beobachtet werden. Während des 24-Stunden-Verlaufs von Drevers Version des Experiments drehte sich die Erde, und die Magnetfeldachse fegte verschiedene Abschnitte des Himmels. Drever schenkte dem Verhalten der Spektrallinie besondere Aufmerksamkeit, wenn das Magnetfeld das Zentrum der Galaxie durchquerte. Weder Hughes noch Drever beobachteten eine Frequenzverschiebung der Energieniveaus, und aufgrund der hohen Genauigkeit ihrer Experimente konnte die maximale Anisotropie auf 0,04 Hz = 10 −25 GeV begrenzt werden .
Hinsichtlich der Konsequenzen des Nullergebnisses für das Machsche Prinzip wurde von Robert H. Dicke (1961) gezeigt, dass es mit diesem Prinzip übereinstimmt, solange die räumliche Anisotropie für alle Teilchen gleich ist. Das Nullergebnis zeigt also eher, dass Trägheitsanisotropieeffekte, falls vorhanden, für alle Teilchen universell und lokal nicht beobachtbar sind.
Moderne Interpretation
Während die Motivation für dieses Experiment darin bestand, das Mach-Prinzip zu testen, wurde es seitdem als wichtiger Test der Lorentz-Invarianz und damit der speziellen Relativitätstheorie anerkannt . Dies liegt daran, dass Anisotropieeffekte auch in Gegenwart eines bevorzugten und Lorentz-verletzenden Bezugssystems auftreten – normalerweise identifiziert mit dem CMBR- Ruhesystem als eine Art leuchtender Äther (Relativgeschwindigkeit etwa 368 km/s). Daher schließen die negativen Ergebnisse der Hughes-Drever-Experimente (sowie der Michelson-Morley-Experimente ) die Existenz eines solchen Rahmens aus. Insbesondere Hughes-Drever-Tests von Lorentz-Verletzungen werden oft durch eine Testtheorie der speziellen Relativitätstheorie von Mark P. Haugan und Clifford Will beschrieben . Nach diesem Modell können Lorentz-Verletzungen in Gegenwart bevorzugter Frames zu Unterschieden zwischen der maximal erreichbaren Geschwindigkeit massiver Teilchen und der Lichtgeschwindigkeit führen. Wenn sie anders wären, würden sich auch die Eigenschaften und Häufigkeiten der Materiewechselwirkungen ändern. Darüber hinaus ist es eine grundlegende Konsequenz des Äquivalenzprinzips der Allgemeinen Relativitätstheorie, dass die Lorentz-Invarianz lokal in frei beweglichen Bezugsystemen gilt = lokale Lorentz-Invarianz (LLI). Dies bedeutet, dass die Ergebnisse dieses Experiments sowohl die spezielle als auch die allgemeine Relativitätstheorie betreffen.
Aufgrund der Tatsache, dass unterschiedliche Frequenzen ("Clocks") verglichen werden, werden diese Experimente auch als Clock-Vergleichsexperimente bezeichnet.
Aktuelle Experimente
Neben Lorentz-Verletzungen aufgrund eines bevorzugten Rahmens oder Einflüssen nach dem Mach-Prinzip wird auch nach spontanen Verletzungen der Lorentz-Invarianz und der CPT-Symmetrie gesucht, motiviert durch die Vorhersagen verschiedener Quantengravitationsmodelle , die ihre Existenz nahelegen. Moderne Aktualisierungen der Hughes-Drever-Experimente wurden durchgeführt, um mögliche Lorentz- und CPT-Verletzungen in Neutronen und Protonen zu untersuchen . Durch die Verwendung von spinpolarisierten Systemen und Co-Magnetometern (zur Unterdrückung magnetischer Einflüsse) wurden die Genauigkeit und Empfindlichkeit dieser Experimente stark erhöht. Darüber hinaus wurde mit spinpolarisierten Torsionswaagen auch der Elektronensektor getestet.
Alle diese Experimente haben bisher negative Ergebnisse geliefert, so dass es immer noch kein Anzeichen für die Existenz eines bevorzugten Rahmens oder einer anderen Form einer Lorentz-Verletzung gibt. Die Werte der folgenden Tabelle beziehen sich auf die Koeffizienten der Standard-Model Extension (SME), einer häufig verwendeten effektiven Feldtheorie zur Beurteilung möglicher Lorentz-Verletzungen (siehe auch andere Testtheorien der speziellen Relativitätstheorie ). Davon kann jede Abweichung der Lorentz-Invarianz mit bestimmten Koeffizienten verbunden werden. Da in diesen Experimenten eine Reihe von Koeffizienten getestet werden, wird nur der Wert der maximalen Sensitivität angegeben (genaue Daten siehe die einzelnen Artikel):
Autor | Jahr | KMU-Einschränkungen | Beschreibung | ||
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Proton | Neutron | Elektron | |||
Vorstufe et al. | 1985 | 10 -27 | Vergleich des Kernspin-Flip- Übergangs von9 Sei+ (gespeichert in einer Penning-Falle ) mit einem Wasserstoff-Maser-Übergang. |
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Phillips | 1987 | 10 -27 | Sinusförmige Schwingungen wurden mit einem kryogenen Spin- Torsionspendel mit einem transversal polarisierten Magneten untersucht. | ||
Lamoreauxet al. | 1989 | 10 −29 | Sie induzierten Dipol- und Quadrupol-Spinpolarisation in einen Dampf von201 Hg , durch die Quadrupol-Energieverschiebungen beobachtet werden können. |
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Chuppet al. | 1989 | 10 -27 | Die zeitabhängige Quadrupolaufspaltung von Zeeman-Niveaus wird untersucht. 21 Ne und 3 Er Gase werden durch Spinaustausch polarisiert und verglichen. |
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Winelandet al. | 1991 | 10 -25 | Die anomalen Dipol-Monopol- und Dipol-Dipol-Kopplungen werden untersucht, indem Hyperfeinresonanzen in 9 Sei+ . |
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Wanget al. | 1993 | 10 -27 | Ein Spin-Torsionspendel eine spinpolarisierten tragender Dy - Fe Masse wird siderische Variationen untersucht. | ||
Berglundet al. | 1995 | 10 -27 | 10 -30 | 10 -27 | Die Frequenzen von 199 Hg und 133 Cs werden durch Anlegen eines Magnetfeldes verglichen. |
Bäret al. | 2000 | 10 −31 | Die Frequenzen von 129 Xe und 3 Er Zeeman-Maser werden verglichen. |
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Phillipset al. | 2000 | 10 -27 | Die Zeeman-Frequenz wird mit Wasserstoff-Masern gemessen . | ||
Humphreyet al. | 2003 | 10 -27 | 10 -27 | Ähnlich wie Phillips et al. (2000). | |
Hou et al. | 2003 | 10 −29 | Ähnlich wie Wang et al. (1993). | ||
Canè et al. | 2004 | 10 −32 | Ähnlich wie Bear et al. (2000). | ||
Wolfet al. | 2006 | 10 -25 | Atomfrequenzen werden lasergekühlt gemessen 133 Cs Atombrunnen . |
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Heckelet al. | 2006 | 10 -30 | Sie verwendeten ein Spin-Torsion-Pendel mit vier Abschnitten von Alnico und vier Abschnitten von Sm 5 Co . | ||
Heckelet al. | 2008 | 10 −31 | Ähnlich wie Heckel et al. (2006). | ||
Altarev et al. | 2009 | 10 −29 | Die Spinpräzessionsfrequenzen in gespeicherten ultrakalten Neutronen und 199 Hg werden analysiert. |
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Braunet al. | 2010 | 10 −32 | 10 −33 | Vergleich der Frequenzen in einem K /3 Er Komagnetometer. |
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Gemmelet al. | 2010 | 10 −32 | Vergleich der Frequenzen in a 129 Xe / 3 Er Komagnetometer. |
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Smiciklaset al. | 2011 | 10 −29 | Vergleich der Frequenzen in a 21 Ne / Rb / K- Komagnetometer. Test der maximal erreichbaren Geschwindigkeit von Neutronen. |
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Pecket al. | 2012 | 10 -30 | 10 −31 | Ähnlich wie Berglund et al. (1995). | |
Hohenseeet al. | 2013 | 10 -17 | Messung der Übergangsfrequenzen zweier nahezu entarteter Zustände von 164 Dy und 162 Dy . Test der maximal erreichbaren Geschwindigkeit von Elektronen. |
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Allmendinger et al. | 2013 | 10 −34 | Ähnlich wie bei Gemmel et al. (2010). |
Sekundäre Quellen
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„Ich habe diese Linie über einen Zeitraum von 24 Stunden beobachtet, während sich die Erde drehte. Als die Achse des Feldes über das Zentrum der Galaxie und in andere Richtungen schwang, suchte ich nach einer Veränderung“, erinnert sich Drever.
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Externe Links
- T. Roberts (2007) & S. Schleif, Relativitäts-FAQ, Was ist die experimentelle Grundlage der Speziellen Relativitätstheorie?