Atsukovsky_Ether_2011

Дж.П.Серархольм, Г.Ф.Бланд, Б.Л.Хивенс, Ч.Х Таунс. 1958 г.

19. Дж. П.Седархольм и др. Новая экспериментальная проверка теории относительности (1958)

Дж. П.Седархольм, Г. Ф. Бланд, Б. Л. Хавенс, (Ватсоновская лаборатория при Колумбийском университете, Нью-Йорк); Ч. Х. Таунс, (Отделение физики Колумбийского университета, Нью-Йорк ).

New experimental test of special relativity. J.P.Cedarholm, G.F.Bland, B.LHavens, International Business Machines Watson Laboratory, Columbia University, New York; C.H.Townes, Departament of Physics, Columbia University, New York

Для проверки зависимости скорости света от скорости системы с точностью, значительно превышающей точность, полученную в экспериментах Майкельсона и Морли91, была использована высо- кая стабильность частоты двух однотипных излучателей–мазеров. В терминах эфира показано, что скорость эфирного ветра должна быть меньше 1/1000 орбитальной скорости Земли.

Эксперимент, который был проведен в Ватсоновской лаборато- рии, включал в себя сравнение частот двух мазеров92, направляю- щих излучение молекул NH3 в противоположные стороны. Мёллер проанализировал этот случай93 и определил изменение частоты лу- ча мазера из-за наличия эфирного ветра, предполагая, что молеку- лы имеют скорость u относительно полости, через которую они пропускаются, и что эта полость имеет скорость v относительно эфира. Сдвиг может быть просто получен, исходя из предположе- ния, что если v равна нулю, излучение, направленное перпенди- кулярно к молекулярной скорости, не даст допплеровского смеще- ния. Если полость и луч затем перемещаются со скоростью v сквозь эфир в направлении, параллельном u , излучение должно допускаться молекулами слегка вперед под углом θ = π/2 − v/c по отношению к u . Тогда некоторое изменение частоты вследствие

91A.A.Michelson, E.W.Morley // Am.J.Sci. 1887. Vol. 34. Р.333. 92Gordon, Zeiger, Townes // Phys. Rev. 1955. Vol.29. P. 1264 93Moller C. // Suppl Nuovo cimento. 1957. Vol.6. P.381.

320

Глава 19. Новая экспериментальная проверка ТО

допплеровского эффекта составит ε = u/c cosθ или uv/c2 из-за движения через эфир, если полагать, что частотные свойства моле- кул не меняются вследствие такого движения.

Для горячих молекул скорость составляет 0,6 км/с, а для орби-

тальной скорости Земли (30 км/с) ε = −2 10−10. Разница в часто- тах из-за указанного эффекта двух мазеров с противоположно на- правленными излучениями составит 2εν или около 10 кГц для ν , равной 23870 мГц, соответствующей молекулам NH3.

Хотя uv/c2 есть величина второго порядка в скоростях, оно яв- ляется величиной первого порядка для скорости полости или лабо- ратории относительно эфира. В данном эксперименте измерен пол- ный эффект со значительно меньшей частичной погрешностью, которую вносит особенно малый верхний предел в v из-за того, что эта величина входит в первый порядок, чем во втором порядке эксперимента Майкельсона – Морли. Некоторые подобные условия могли бы встретиться в этом эксперименте, если бы использован- ный интерферометр перемещался в плоскости со скоростью u , а интерференционные линии получались от двух лучей, направлен- ных противоположно.

Два мазерных излучателя с противоположно направленными лучами были смонтированы совместно с необходимым вспомога- тельным оборудованием на раме, которая могла вращаться вокруг вертикальной оси. Биение частот двух генераторов составляло око- ло 20 кГц и непрерывно регистрировалось. Приблизительно после одной минуты регистрации излучения мазеров, оси которых ориен- тировались в восточно–западном направлении, аппарат поворачи- вался на 180° и биение частот регистрировалось в новом направле- нии.

Изменение биения частоты из-за наличия эфирного ветра должно составлять 4εν , или около 20 кГц. За время около 20 мин. было проделано 16 таких сравнений. Это повторялось каждый час в течение временного интервала более 12 ч. так, чтобы вращением Земли охватить плоскость восточно-западного направления.

Относительное изменение частоты двух генераторов около 1 кГц было обнаружено при их поворотах на 180°. Это изменение в значительной степени является следствием влияния магнитного поля Земли и других местных магнитных полей, от которых не бы- ло достаточной защиты.

321

Дж.П.Серархольм, Г.Ф.Бланд, Б.Л.Хивенс, Ч.Х Таунс. 1958 г.

Рис. 19.1. Суточные вариации изменений относительной частоты из-за поворота двух аммониевых мазеров через 180°. Лучи двух мазеров направле- ны в противоположные стороны. Изменения около 1,08 Гц в основном вы- званы местными магнитными полями. Максимальное отклонение от этого значения в течение суток составляет 1/50 Гц. Длины линий приблизительно указывают значения погрешностей, вычисленных из флуктуации 16 измере- ний в каждой точке

Важным результатом оказалось то, что это изменение не зави- село от времени суток (или ориентации Земли), как показано на рис. 19.1.

Первые серии измерений были выполнены в будний день, когда местные магнитные поля и электрическое напряжение в линиях изменялись. В течение суток были выявлены некоторые система- тические вариации измеряемого эффекта в пределах ±1/20 Гц. Вто- рые серии измерений в субботу, когда местные возмущения были наименьшими, показали вариации частоты не больше ±1/50 Гц, как показано на рис.20.1, и даже они оказались случайными и не кор- релировались со временем или с ориентацией Земли. Это в точно- сти соответствует стабильности частот мазеров в 1/1012.

Результаты показали, что член uv/c2 должен быть меньше в 1000 раз, чем то, что должно было бы быть при наличии скорости v , равной орбитальной скорости Земли. Это значит, что относи- тельная скорость эфира в плоскости, перпендикулярной к земной оси, должна быть меньше 1/30 км/с. Результаты же экспериментов Майкельсона – Морли не соответствуют скорости эфирного ветра в 8 км/с, о которой докладывал Миллер 94, и ближе к верхнему пре-

94Miller D.C. // Revs. Modern Phys. 1933. Vol.5. P.203.; Shankland, McCuskey, Leone, Kuerti // Revs. Modern Phys. 1955. Voi.27. P. 167.

322

Глава 19. Новая экспериментальная проверка ТО

делу, равному 1,5 км/с, полученному в экспериментах Джуса 95. Конечно, основное преимущество поставленного нами экспери- мента заключается в наличии в нем первого порядка, дающего зна- чительно большую зависимость от v , чем второй порядок.

Те, кто всегда убеждены в корректности специальной теории относительности или кто не желает рассматривать эфирную мо- дель, должны были бы отметить, что постулаты специальной тео- рии относительности не обязательно несовместимы с существова- нием смещения частот в вышеуказанном эксперименте или с ани- зотропией пространства. Это может быть результатом существова- ния внешней по отношению к Земле материи, которая распределе- на неравномерно или которая не движется со скоростью Земли. Предварительные результаты, изложенные здесь, получены 20 сен- тября 1958 г. Ожидается, что эксперименты будут продолжены да- лее и что добавочные измерения будут сделаны в другое время го- да.

Phys. Rev. Letter. 1958. Vol . 1, № 9. P. 342–349.

95Joos G. // Ann. Physik. 1930. Vol.7. P.385.

323

Дж.П.Серархольм, Ч.Х Таунс. 1959 г.

20. Дж.П.Седархольм, Ч.Х.Таунс. Но- вая экспериментальная проверка спе-

циальной теории относительности

(1959)

Дж. П. Седархольм, Ватсоновская лаборатория IBM,

Ч. Х. Таунс, проф.Колумбийского университета, Нью-Йорк

A new experimental test of special relativity. Cedarholm J.P., Townes C.H.

Эксперименты, с помощью которых проверялась специальная теория относительности, обычно предъявляли высокие требова- ния к тщательности и точности для того, чтобы обнаружить и про- верить малые отличия между предсказаниями специальной теории относительности и другими альтернативными теориями. Это объ- ясняется тем, что эти отличия умножаются на очень малую вели-

чину (v/c)2 , где c — скорость света, a v — относительная ско-

рость, которая много меньше c . Поэтому эксперименты, которые четко выражали поддержку специальной теории относительности перед другими теориями, такими, как простая теория эфира, требо- вали измерения необычайно малых величин, пропорциональных

(v/c)2 с поражающей воображение точностью. Первые экспери-

менты Майкельсона и Морли 96, например, были необыкновенно точны. Но вся их тщательность была направлена на определение

изменения длины светового пути на 10−8 , происходящего вследст- вие движения Земли вокруг Солнца, что следовало из теории эфир- ных течений, и при этом можно было установить верхний предел не менее 1/40 этого значения, или 1/6 орбитальной скорости Земли. Последующие очень тщательные эксперименты подобного типа97, проведенные полстолетия спустя, установили верхний предел

96Michelson A.A., Morley E.W. // Amer. J.Sci. 1887. Vol.34. P.333. 97Joos G. // Ann. Phys. 1930. Vol. 7. P.385.

324

Глава 20. Новая экспериментальная проверка СТО

эфирного ветра в 1/20 скорости Земли вокруг Солнца. Другие98, даже предполагающие существование эфирного ветра, дали не бо- лее 1/5 орбитальной скорости Земли. Появление атомных часов, обладающих очень высокой точностью, позволяет еще более повы- сить точность экспериментальных проверок, одна из которых более или менее полно описана ниже.

В эксперименте сравниваются частоты двух мазерных генера- торов 99, излучения молекул аммиака которых направлены в проти- воположные стороны, но оба параллельно ожидаемому направле- нию движения через эфир. Если оба мазера повернуть на 180° и их частоты снова сравнить, то вследствие движения мазеров сквозь эфир произойдет изменение их относительных частот; при этом предполагается, что молекулярные вибраторы при таком движении будут неизменными. При сравнении частот может быть достигнута

точность 1/1012 , но недостаточно найти изменение частоты, чтобы утверждать, что верхний предел эфирного ветра найден с точно- стью до 1/1000 орбитальной скорости Земли. Эта точность также зависит от ряда других эффектов, которые будут обсуждены ниже.

Эффект влияния на частоту излучения мазерного генератора движения сквозь эфир были впервые разработан Меллером100. Вкратце, некоторое интуитивное объяснение этого сдвига следую- щее. В этом приборе молекулы аммиака в возбужденном состоянии перемещаются с тепловой скоростью вдоль оси круглого цилинд- рического канала, отдавая свою энергию. Если канал стационарен относительно эфира, стоячие волны могут рассматриваться как со- стоящие из движущихся волн с волновыми фронтами почти парал- лельными оси. Когда молекула движется вдоль оси, допплеровский эффект не возникает. Если же аппарат движется соосно сквозь эфир со скоростью v , волновой фронт должен повернуться на угол α = v/c , чтобы следовать этой осевой скорости. Следова- тельно, молекулы, движущиеся со скоростью u через канал, дадут частоту, сдвинутую из-за допплеровского эффекта на величину

νuα/c =νuv/c2 . Здесь ν — молекулярная частота. Поскольку

98Miller D.C. // Revs. Mod. Phys. 1933. Vol.5. P.203. See, however, Shankland R.S., McCuseey S.W., Leone F.C., Kuerti G. // Ibid. 1955. Vol.27. P.167.

99Gordon J.P., Zeiger H.J. Townes C.H. //Phys. Rev. 1955. Vol.99. P. 1264.

325

Дж.П.Серархольм, Ч.Х Таунс. 1959 г.

νuv/c2 зависит от относительного направления u и v , два мазе- ра с противоположно направленными лучами должны дать часто-

ты, разность между которыми составит 2uvν/c2 благодаря этому эффекту.

Если каждый из них повернется на 180°, полное изменение их

частотной разности составит 4uvν/c2 .

Специальная теория относительности предсказывает тот же са- мый результат, что и эфирная теория, предсказавшая, что фицже-

ральдовское сокращение 1−V 2 /c2 возникает в некотором отрез-

ке, параллельном движению скорости V сквозь эфир, и что свой- ство времени в любых часах или генераторе изменяется с тем же

самым фактором 1−V 2 /c2 , благодаря этому движению. Иными словами, некоторый эффект, вызванный движением через эфир, почти компенсируется соответствующим изменением масштаба длины и времени, которые отвечают преобразованиям Лоренца. Если далее эфирная теория обходится без фицжеральдовского со- кращения и замедления времени, то ожидаемое изменение частоты может быть найдено из соответствующих изменений длины и вре- мени.

Рассмотрим сначала фицжеральдовское сокращение. Оно очень слабо влияет на частоту генерации мазеров и им можно пренеб- речь, потому что эта частота практические не чувствительна к из- менению размеров и резонансной частоте канала101.

Мы видим, однако, что замедление времени окажет влияние. Если канал движется сквозь эфир со скоростью v , а молекулы че- рез канал – со скоростью u , то молекулярная скорость движения сквозь эфир составит V = u + v , и молекулярное время будет за- медлено для наблюдателя в системе отсчета эфира на коэффициент

Но время в реальной лабораторной системе отсчета, которое фиксировано относительно канала, замедляется коэффициентом

326

Глава 20. Новая экспериментальная проверка СТО

Следовательно, молекулы должны иметь кажущееся замедле- ние для наблюдателя в лаборатории, равное разности между этими двумя величинами или коэффициенту

Первая малая поправка – это хорошо известный доплеровский эффект, он не зависит от эфирного ветра. Вторая малая поправка –

это член uv/c2 , если мы следуем представлениям о простом эфире, а не замедлению времени в генерации молекул, как это и постули- ровано Меллером в первоначальном обсуждении 102.

Из изложенного выше становится ясно, что недостаточность видеть некоторое изменение во временном эквиваленте малой со-

ставляющей части величины uv/c2 может быть объяснена и без допущения замедления времени для тех, кто хочет придерживаться теории эфира с такими особенностями. Следовательно, экспери- мент более близок к эксперименту Кеннеди–Торндайка103, чем Майкельсона и Морли. Нулевой результат Майкельсона и Морли нуждается, конечно, только в привлечении понятия фицжеральдов- ского сокращения для его объяснения.

Для выполнения нашего эксперимента два аммиачных лучевых мазера с противоположным направлением лучей были смонтирова- ны на раме, которая вращалась вокруг вертикальной оси. Частоты этих генераторов составляли примерно 23.870 мГц. Тепловая ско- рость u = 0,6 км/с для NH3 при комнатной температуре. Если ор- битальная скорость Земли предположительно и есть скорость дви- жения сквозь эфир, то v = 30 км/с, а изменение частоты составит

4uvν /c2 = 20 Гц, когда мазеры повернутся на 180° от первона-

чальной позиции восток-запад в полдень или в полночь.

В изменениях относительной частоты двух мазеров случайные флуктуации составили около 1/10 Гц. На протяжении продолжи-

102Moller С. // Nuovo Cimento. 1957. Vol.6. Supp. P.381.

103Kennedy R.J., Thorndike E.M. // Phys. Rev. 1932. Vol.42. P.400.

327

Дж.П.Серархольм, Ч.Х Таунс. 1959 г.

тельного периода, требуемого для проведения измерений, до и по- сле поворота средняя частота изменилась не более, чем на 1/50 Гц или на 1/10 . Следовательно, вариации в 20 Гц, ожидаемые из эфирной теории, должны быть легко обнаруживаемые самом деле, были отмечены вариации около 1 Гц при вращении двух мазеров. Однако эти вариации могут быть устранены с помощью магнитной защиты мазеров, но без экранировки оставалась константа около 1/50 Гц при повороте Земли на 1 об. в течение 24 ч. Это показыва- ет, что сдвиг не более 1/50 Гц может быть приписан эфирному вет- ру.

Эксперимент с использованием вращения двух мазеров был тщательно выполнен в начале дня 20 сентября 1958 г.104. Не было зарегистрировано никакого эффекта, превышающего 1/50 Гц. Сле- довательно, поскольку орбитальной скорости Земли 30 км/с долж- но соответствовать изменение частоты в 20 Гц, эфирный ветер не мог быть большим, чем 1 /1000 от этой величины или 30 м/с. Ко- нечно, возможно, что движение Земли было скомпенсировано в это время года движением Солнечной системы сквозь эфир. Поэтому эксперимент был повторен в Ватсоновской лаборатории в течение 24-часовых оборотов на протяжении почти трехмесячного интер- вала в течение года. Но ни на одном из этих оборотов не было по- лучено эффекта, превышающего 1/50 Гц.

Настоящий эксперимент установил верхний предел скорости эфирного ветра около 1/50 той, которая следовала из предшест- вующих экспериментов. Такая часть определена тем, что измерен- ный эффект линеен относительно скорости эфирного ветра v . Эксперимент же типа эксперимента Майкельсона–Морли рассчи-

тан на частичное изменение величины v2 /2c2 , которая по порядку больше, чем величина uv/c2 , обсуждаемая здесь. Верхний предел

в 1/400 v2 /2c2 установлен очень тщательно экспериментами Йо- са105 с интерферометром Майкельсона. Однако, поскольку это член второго порядка относительно v , верхний предел, установленный для скорости эфирного ветра, есть 1/20 орбитальной скорости Зем- ли или 1,5 км/с. Настоящие же эксперименты имеют то преимуще-

104Cedarholm J.P., Bland G.F., Havens B.L., Townes C.H. // Phys. Rev. Let. 1958. Vol.1. P.342.

105Joos G. // Ann. Physik. 1930. Vol.7. P.385.

328

Глава 20. Новая экспериментальная проверка СТО

ство, что ожидаемый эффект пропорционален v , а также то, что двое часов могут теперь сравниваться с много большей точностью, чем два расстояния. Этот эксперимент, включающий сравнение

двух мазерных генераторов с точностью 1/1012 , может быть, явля- ется наиболее точным экспериментом из всех, до сих пор описан- ных.

Для большинства физиков подтверждение постулатов специ- альной теории относительности об отсутствии абсолютного движе- ния может и не являться сюрпризом, и более точная эксперимен- тальная проверка может быть даже не важна, потому что этот по- стулат воспринимается интуитивно удовлетворительно и признает- ся вполне правильным. Нужно, однако, заметить, что положитель- ный эффект в данном эксперименте мог бы дать новую информа- цию без необходимости изменения основных принципов теории относительности. Скорость движения Земли включает в себя ско- рость относительно других частей Солнечной системы, так же как и относительно неподвижных звезд и внешних галактик. Следова- тельно, это относительное движение может, в принципе, создать некоторую анизотропию в пространстве и некоторый сдвиг отно- сительно частоты двух мазеров, когда они поворачиваются на 180°.

Дике предположил 106, что эффект, производимый движением по отношению к неподвижным массам Вселенной, должен сущест- вовать реально, но он может иметь порядок тонкой структурной константы а, уменьшая влияние эфирного ветра. Это соответствует частотному сдвигу в настоящем эксперименте порядка 1/7 Гц. Причины, излагаемые Дике, по которым такой сдвиг может суще- ствовать, спекулятивны, но очень интересны. Настоящие результа- ты не дали сдвига более 1/50 Гц, который несколько отличается по

порядку от величины 4α u vν /c2.

Оптические мазерные генераторы должны также сами по себе представлять интерес для экспериментов по специальной теории относительности, поскольку с их помощью, вероятно, можно будет

проверять такие изменения в длине, как 1/1012 . Оптический мазер- ный генератор может быть сконструирован с резонансом между двумя эталонными пластинами, которые ближе по частоте, чем

106 Dicke R.H. // Proc. Symp. Quantum Electronics. Columbia Univ. Press. 1960.

329