Hafele-Keating eksperiment

Et af atomure, der blev brugt i forsøget, type HP 5061A (i dag et museumsværk)

Den Hafele-Keating eksperiment var en test af tidsudvidelse følgende fra relativitetsteorien . Joseph C. Hafele og Richard E. Keating tog 1.971 fire cæsium - atomure om bord på et kommercielt passagerfly, der fløj to gange rundt om i verden, først mod øst, derefter mod vest, og sammenlignede urene med dem i United States Naval Observatory .

Ifølge den særlige relativitetsteori bevæger et ur sig hurtigste for en observatør, der er i ro i forhold til det. I et system, der bevæger sig i forhold til det, kører uret langsommere ( tidsudvidelse ); I en anden tilnærmelse er denne effekt proportional med kvadratet af hastigheden ved små hastigheder. Det er siden blevet bevist i talrige test af den særlige relativitetsteori , se Ives-Stilwell-eksperiment og tidsudvidelse af bevægelige partikler .

Ifølge den generelle relativitetsteori løber ure i det højere gravitationspotentiale hurtigere i højere højder end i det lavere gravitationspotentiale nær jordens overflade. Denne effekt er også blevet bekræftet i talrige test af generel relativitet, såsom Pound-Rebka-eksperimentet .

I Hafele-Keating-eksperimentet demonstreres begge effekter på samme tid. Lignende eksperimenter er nu blevet gentaget flere gange med øget præcision, for eksempel i Maryland -eksperimentet (se nedenfor). GPS -navigationssystemets funktion bekræfter også teorien.

Hafele-Keating eksperiment

I referencesystemet, der er i ro i forhold til jordens centrum, bevæger det indbyggede ur sig mod øst i retning af jordens rotation og har en større hastighed end et ur på jordens overflade. Ifølge den særlige relativitetsteori kører det indbyggede ur langsommere end gulvuret, så det mister tid. På den anden side har det indbyggede ur, der bevæger sig mod vest og dermed mod jordens rotation, en lavere hastighed end gulvuret, så det vinder tid. Ifølge den generelle relativitetsteori spiller den lille stigning i gravitationspotentialet i større højder også ind, så på grund af tyngdekraftens udvidelse går begge ombordure hurtigere end gulvure i samme omfang.

Resultaterne af de observerede gevinster og tab af tid, offentliggjort i 1972, bekræftede de relativistiske forudsigelser.

Gentagelser

Kopier af det originale eksperiment blev udført af National Physical Laboratory (NPL) i 1996 med en højere grad af nøjagtighed på en flyvning fra London til Washington, DC og tilbage igen. De indbyggede ure målte en handling på 39 ± 2 ns, i god overensstemmelse med den relativistiske værdi på 39,8 ns. I juni 2010 gennemførte NPL forsøget igen, denne gang over hele kloden (London - Los Angeles - Auckland - Hong Kong - London). Den relativistiske værdi var 246 ± 3 ns, målt 230 ± 20 ns, igen i god overensstemmelse.

Maryland eksperiment

Et mere komplekst eksperiment af lignende art blev udført fra 1975 til 1976 af forskere ved University of Maryland , USA. Tre atomure blev transporteret med fly til en højde på omkring 10.000 m over Chesapeake Bay i Maryland , og tre atomure var på jorden. Særlige beholdere beskytter ure mod ydre påvirkninger såsom vibrationer, magnetfelter, temperatur- og lufttryksudsving. Blev brugt turbopropmaskiner , der knap 500 km / t formåede at holde små omkring hastighedseffekten. Flyet var på en fast kurs og blev konstant overvåget af radar. Først blev flere testflyvninger gennemført og til sidst fem hovedflyvninger, der hver varede 15 timer. Position og hastighed blev bestemt hvert sekund.

På den ene side blev tidsforskellen målt ved direkte sammenligning af ure på jorden før og efter flyvningen over cirka 20 timer. På den anden side blev tidsforskellen læst under flyvningen af laserlyspulser med en varighed på 0,1 ns ved at sende et signal til flyet, som blev reflekteret af det og taget op igen på jordstationen. Forskellen steg støt under flyvningen. På grund af gravitationseffekten kører flyets ure hurtigere og hurtigere under flyvningen. En afvigelse på 47,1 ± 1,5 ns, der består af -5,7 ns af bremsning forårsaget af hastighedseffekten, og 52,8 ns på grund af tyngdekraften blev observeret . Dette stemmer meget godt overens med værdien af 47,1 ± 0,25 ns forudsagt af relativitetsteorien . Den regnefejl viste en nøjagtighed på 1,6%.

Flere eksperimenter

Iijima & Fujiwara udførte målinger af tyngdeudvidelse mellem 1975 og 1977 ved skiftevis at transportere et kommercielt cæsiumur fra National Astronomical Observatory of Japan i Mitaka på 58 m over havets overflade til Mount Norikura ved 2876 m over havets overflade. Den tilsvarende højdeforskel var således 2818 m. Under opholdet i Mitaka blev uret sammenlignet med et andet cæsiumur, der stod stille der. Det beregnede blå skift af det transporterede ur på grund af tyngdekraften var 30,7 × 10 ⁻¹⁴ , den målte værdi var (29 ± 1,5) × 10 ⁻¹⁴ i overensstemmelse med den teoretiske værdi. Forholdet mellem de to værdier var 0,94 ± 0,05.

I 1976 sammenlignede Briatore & Leschiutta hastigheden af ​​to cæsiumure, et i Turin på 250 m og det andet på Plateau Rosa på 3500 m over havets overflade. Sammenligningen blev udført ved at evaluere ankomsttiderne for VHF fjernsynkroniseringspulser og LORAN -C kæder. Den forudsagte forskel var 30,6 ns pr. Dag. Ved hjælp af to kirurgiske kriterier blev forskelle på 33,8 ± 6,8 ns / dag og 36,5 ± 5,8 ns / dag målt i overensstemmelse med den forudsagte værdi.

I 2010 udtalte Chou et al. Der blev udført tests, med hvilke både tyngde- og hastighedsrelaterede effekter blev målt ved langt lavere afstande og hastigheder. I denne aluminiumioner bruges som ekstremt præcise ure. Tidsudvidelsen på grund af hastigheden blev målt med en nøjagtighed på ca. 10 ⁻¹⁶ ved hastigheder på ca. 36 km / t. Gravidationstidsudvidelsen blev også bekræftet ved at hæve urene med kun 33 cm.

Andre præcis bekræftelse af tyngdekraftens tidsudvidelse er pund-rebka eksperiment og Gravity Prøve A . I dag skal både hastighedsrelateret og tyngdekraftsrelateret tidsudvidelse tages i betragtning i f.eks . Beregningerne af GPS- navigationssystemet . På grund af dette og en række andre højpræcisionsforsøg er eksistensen af ​​relativistisk tidsudvidelse ubestridt blandt eksperter. Se Tests af den specielle relativitetsteori og test af den generelle relativitetsteori .

Ligninger

Ligningerne for de effekter, der er relevante for Hafele-Keating-eksperimentet, har følgende form:

Tidsudvidelsen stammer fra summen af ​​tre bidrag:

${\ displaystyle \ mathrm {T} = \ Delta \ tau _ {v} + \ Delta \ tau _ {g} + \ Delta \ tau _ {s}}$

Bidrag af hastigheden ifølge SRT:

${\ displaystyle \ Delta \ tau _ {v} = - {\ frac {1} {2c ^ {2}}} \ sum _ {i = 1} ^ {k} v_ {i} ^ {2} \ Delta \ dug _ {i}}$

Tyngdekraftens bidrag i henhold til ART:

${\ displaystyle \ Delta \ tau _ {g} = {\ frac {g} {c ^ {2}}} \ sum _ {i = 1} ^ {k} (h_ {i} -h_ {0}) \ Delta \ tau _ {i}}$

Bidrag fra Sagnac -effekten :

${\ displaystyle \ Delta \ tau _ {s} = - {\ frac {\ omega} {c ^ {2}}} \ sum _ {i = 1} ^ {k} R_ {i} ^ {2} \ cos ^ {2} \ phi _ {i} \ Delta \ lambda _ {i}}$

med c = lysets hastighed, h = højde, g = gravitationsacceleration, v = hastighed, = vinkelhastighed af jordens rotation, τ = varighed / længde af et flyvesegment. Virkningerne blev integreret over hele flyvningen, da parametrene ændrer sig over tid. ${\ displaystyle \ omega}$

Individuelle beviser

1. ^ Sexl, Roman & Schmidt, Herbert K.: Rum-tid-relativitet . Vieweg, Braunschweig 1979, ISBN 3-528-17236-3 , s. 39-43.
2. ^ J. Hafele, R. Keating: Rundt om i verden atomure: forudsagt relativistiske tidsgevinster . I: Videnskab . 177, nr. 4044, 14. juli 1972, s. 166-168. bibcode : 1972Sci ... 177..166H . doi : 10.1126 / science.177.4044.166 . PMID 17779917 . Hentet 18. september 2006.
3. ^ J. Hafele, R. Keating: Rundt om i verden atomure: observerede relativistiske tidsgevinster . I: Videnskab . 177, nr. 4044, 14. juli 1972, s. 168-170. bibcode : 1972Sci ... 177..168H . doi : 10.1126 / science.177.4044.168 . PMID 17779918 . Hentet 18. september 2006.
4. ↑ NPL Metromnia: Issue 18 - Spring 2005 (PDF; 1,0 MB).
5. ^ NPL -nyheder: Tiden flyver, 1. februar 2011.
6. ^ Roman Sexl, Herbert K. Schmidt: Rum-tid-relativitet . Vieweg, Braunschweig 1979, ISBN 3-528-17236-3 , s. 37-39.
7. ^ CO Alley: relativitet og ure . I: Proceedings of the 33rd Annual Symposium on Frequency Control . 1979, s. 4-39. doi : 10.1109 / FREQ.1979.200296 .
8. ↑ CO Alley, CO: Introduktion til nogle grundlæggende begreber om generel relativitet og deres nødvendige anvendelse i nogle moderne tidtagningssystemer Arkiveret fra originalen den 26. august 2012. I: Proceedings of the Precise Time And Time Interval systemer og applikationer, der mødes . 13, 1981, s. 687-727.
9. ^ S. Iijima, K. Fujiwara: Et eksperiment til det potentielle blå skift ved Norikura Corona Station . I: Annals of the Tokyo Astronomical Observatory . 17, 1978, s. 68-78. bibcode : 1978AnTok..17 ... 68I .
10. ↑ L. Briatore, s Leschiutta: Bevis for jorden gravitationelle skift ved direkte sammenligning atomart tidsplan . I: Nuovo Cimento B . 37, nr. 2, 1977, s. 219-231. doi : 10.1007 / BF02726320 .
11. ↑ CW Chou, DB Hume, T. Rosenband, DJ Vinland: Optisk Ure og relativitet . I: Videnskab . 329, nr. 5999, 2010, s. 1630-1633. bibcode : 2010Sci ... 329.1630C . doi : 10.1126 / science.1192720 . PMID 20929843 .
12. ^ Din: Ukompenserede relativitetseffekter for en jordbaseret GPSA-modtager. Position Location og Navigation Symposium, 1992. Rekord. 500 år efter Columbus - morgendagens udfordringer. IEEE -PLANER '92.