Наверх

Дж.П.Седархольм, Ч.Х.Таунс. Новая экспериментальная проверка специальной теории относительности (1959)

J. P. Cedarholm, C. H. Townes. A new experimental test of special relativity // Nature. October 31. 1959. Vol. 184, № 4696. P.1350–1351 (PDF).

1
2 {1350} A new experimental test of special relativity Новая экспериментальная проверка специальной теории относительности
3 By J. P. Cedarholm, I.B.M. Watson Laboratory and Prof. C. H. Townes, Columbia University, New York Дж. П. Седархольм, Ватсоновская лаборатория IBM, Ч. Х. Таунс, проф. Колумбийского университета, Нью-Йорк
4 Experiments which have tested special relativity have usually been forced to rely on great delicacy and precision in order to detect or examine the small differences between predictions of special relativity and those of alternate theories. Эксперименты, с помощью которых проверялась специальная теория относительности, обычно должны были предъявлять высокие требования к тщательности и точности для того, чтобы обнаружить и проверить малые отличия между предсказаниями специальной теории относительности и другими альтернативными теориями.
5 This is because these differences appear multiplied by a very small quantity (υ/c)2, where c is the velocity of light and υ is some relative velocity which is generally much smaller than c. Это объясняется тем, что эти отличия умножаются на очень малую величину  (υ/c)2, где c  — скорость света, a υ — относительная скорость, которая много меньше c.
6 While giving a clear-cut support to special relativity over some other theories such as a simple ether, experiments have not generally measured the small terms in (υ/c)2 with impressive fractional accuracy. В то же время, эксперименты, которые четко выражали поддержку специальной теории относительности перед другими теориями, такими, как простая теория эфира, обычно не измеряли малые величины, пропорциональные (υ/c)2 со впечатляющей относительной погрешностью.
7 Michelson and Morley's first experiment [1], for example, was of remarkable precision. Первые эксперименты Майкельсона и Морли [1], например, были необыкновенно точны.
8 But it was searching for a change in light-path of only about one part in 108 due to the motion of the Earth about the Sun on the basis of the then current ether theory, and was able to set an upper limit no less than 1/40 of this, or an ether drift of about one-sixth the orbital velocity of the Earth. Но они искали изменение светового пути только на 10–8 вследствие движения Земли вокруг Солнца на основе эфирной теории того времени, и при этом можно было установить верхний предел не менее 1/40 этого значения, или эфирный ветер примерно 1/6 орбитальной скорости Земли.
9 Subsequent very refined experiments [2] of a similar type succeeded, a half-century later, in setting an upper limit on any ether drift of 1/20 the velocity of the Earth around the Sun. Последующие очень тщательные эксперименты подобного типа [2], проведенные пол-столетия спустя, установили верхний предел эфирного ветра в 1/20 скорости Земли вокруг Солнца.
10 Others [3] even suggested the existence of an ether drift as large as about one-fifth of the orbital velocity of the Earth. Другие [3] даже говорят о существовании эфирного ветра величиной более 1/5 орбитальной скорости Земли.
11 The advent of very high precision atomic clocks suggests that still more exacting experimental tests may now be made; one such, which is now more or less completed, is reported here. Появление атомных часов, обладающих очень высокой точностью, позволяет еще более повысить точность экспериментальных проверок, одна из которых, более или менее завершенная, описана ниже.
12
13 The experiment compares the frequencies of two maser oscillators [4] with their beams of ammonia molecules pointed in opposite directions, but both parallel to a supposed direction of motion through the ether. В эксперименте сравниваются частоты двух мазерных генераторов [4], излучения молекул аммиака которых направлены в противоположные стороны, но оба параллельно ожидаемому направлению движения через эфир.
14 If both masers are rotated 180°, and their frequencies again compared, a change in relative frequency should be found due to motion of the masers through the ether, assuming the molecular vibrations are unchanged by such motion. 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 колебания при таком движении будут неизменными.
15 A precision of one part in 1012 has been achieved in this frequency comparison, and failure to find a frequency change of the predicted type allows setting the upper limit on an ether drift as low as 1/1,000 of the orbital velocity of the Earth. При сравнении частот может быть достигнута точность 1/1012, и невозможность найти изменение частоты предсказанного типа позволяет установить верхний предел эфирного ветра до 1/1000 орбитальной скорости Земли.
16 This precision also provides a test for some other effects which will be discussed below. Эта точность также является тестом для ряда других эффектов, которые будут обсуждены ниже.
17
18 The effect on the frequency of a beam-type maser oscillator of motion through the ether was first worked out by Møller [5]. Влияние на частоту пучкового мазерного генератора при движении через эфир впервые изучал Мёллер [5].
19 A brief, somewhat intuitive explanation of this shift follows. Вкратце, некоторое интуитивное объяснение этого сдвига следующее.
20 In this device, ammonia molecules in an excited state travel at thermal velocities along the axis of a circular cylindrical cavity, giving it energy. В этом приборе молекулы аммиака в возбужденном состоянии перемещаются с тепловой скоростью вдоль оси круглой цилиндрической полости, отдавая свою энергию.
21 If the cavity is stationary in the ether, the standing waves may be considered to be made of travelling waves with wave-fronts nearly parallel to the axis. Если полость стационарна относительно эфира, стоячие волны могут рассматриваться как состоящие из движущихся волн с волновыми фронтами, почти параллельными оси.
22 As the molecule moves along the axis, there is then no Doppler shift. Когда молекула движется вдоль оси, допплеровский эффект не возникает.
23 If the apparatus is moving axially through the ether at velocity υ, the wave-fronts must tilt at an angle α = υ/c in order to follow this axial velocity. Если же аппарат движется соосно сквозь эфир со скоростью υ, волновые фронты должны повернуться на угол α = υ/c, чтобы следовать этой осевой скорости.
24 Hence, molecules travelling at velocity u through the cavity produce a frequency shifted by the Doppler effect of an amount νuα/c = ν/c2. Следовательно, молекулы, движущиеся со скоростью u через полость, дадут частоту, сдвинутую из-за допплеровского эффекта на величину νuα/c = ν/c2.
25 Here ν is the molecular frequency. Здесь ν — молекулярная частота.
26 Since uυν/c2 depends on the relative direction of u and υ, two masers with oppositely directed beams should have frequencies which differ by 2uυν/c2 due to this effect. Поскольку uυν/c2 зависит от относительного направления u и υ,  два мазера с противоположно направленными пучками должны иметь частоты, разность между которыми составит 2uυν/ c2  благодаря этому эффекту.
27 If each is rotated 180°, the total change in their frequency difference is 4uυν/c2. Если каждый из них повернется на 180°, полное изменение их частотной разности составит 4uυν/c2.
28
29 A more precise derivation of this effect is obtained from the fact that special relativity predicts the same result as does an ether theory, provided that the FitzGerald contraction is introduced for any length parallel to the motion υ through the ether, and also that the proper time of any clock or oscillator is modified by the same factor due to this motion. Более точное следствие из этого эффекта получается из факта, что специальная теория относительности предсказывает тот же самый результат, что и эфирная теория, в которой фицджеральдовское сокращение   возникает в любом отрезке, параллельном движению со скоростью υ через эфир, а также, что собственное время в любых часах или генераторе изменяется с тем же самым фактором  благодаря этому движению.
30 In other words, any effect due to motion through a simple ether is just compensated by appropriate changes in scale for length and time which correspond to the Lorentz transformation. Иными словами, любой эффект, вызванный движением через простой эфир, точно компенсируется соответствующим изменением масштаба длины и времени, которые отвечают преобразованиям Лоренца.
31 If, then, an ether theory is used without FitzGerald contraction and time dilation, the expected shift in frequency may be computed from an examination of the effects of these changes of scale for length and time. Если, далее, эфирная теория обходится без фицжеральдовского сокращения и замедления времени, то ожидаемое изменение частоты может быть найдено из соответствующих изменений масштаба длины и времени.
32
33 Consider first the FitzGerald contraction. Рассмотрим сначала фицжеральдовское сокращение.
34 Its effect on the frequency of maser oscillation is very small and may be neglected because this frequency is rather insensitive to the dimensions and resonant frequency of the cavity[4]. Оно очень слабо влияет на частоту генерации мазера и им можно пренебречь, потому что эта частота практически не чувствительна к изменению размеров и резонансной частоте полости [4].
35
36 The time dilation, however, produces the effect we seek. Замедление времени, однако, произведет искомый эффект.
37 If the cavity moves through the ether at a velocity υ and the molecule through the cavity at velocity u, then the molecular velocity through the ether is V = u+ υ, and the molecular time will be slow, for an observer in the framework of the ether, for the factor:

Если полость движется через эфир со скоростью υ, а молекулы через канал – со скоростью u, то молекулярная скорость движения сквозь эфир составит V = u+ υ, и молекулярное время будет замедлено для наблюдателя в системе отсчета эфира на коэффициент

38 But time in the actual laboratory framework, which is fixed with respect to the cavity, is slow by the factor:

Но время в реальной лабораторной системе отсчета, которая фиксирована относительно полости, замедляется с коэффициентом

39 Hence the molecule would appear slow to an observer in the laboratory by the difference between these two, or by the factor: {1351}

Следовательно, молекулы должны казаться медленными для наблюдателя в лаборатории, на величину, равную разности между этими двумя величинами или коэффициенту

40 The first small correction is the well-known transverse Doppler effect, and is independent of ether drift. Первая малая поправка – это хорошо известный поперечный доплеровский эффект, он не зависит от эфирного ветра.
41 The second small correction is the discrepancy uυ/c2 which would occur if we were to accept a simple ether and no time dilation in the proper oscillation of the molecule, as postulated in Møller's original discussion [5]. Вторая малая поправка – это разница uυ/c2,  которая должна появиться, если мы следуем представлениям о простом эфире, а не замедлению времени в собственном колебании молекул, как это и постулировано Мёллером в первоначальном обсуждении [5].
42
43 The above derivation makes it clear that failure to see any change in time equivalent to the small fractional amount uυ/c2 may be explained away by the assumption of a time dilation for those who wish to adhere to an ether with such peculiarities. Из изложенного выше становится ясно, что невозможность видеть какое-либо изменение во временном эквиваленте малой составляющей части величины uυ/c2 может быть объяснена и без допущения замедления времени для тех, кто хочет придерживаться теории эфира с такими особенностями.
44 Hence the experiment is more closely related to the Kennedy–Thorndike experiment [6] than to that of Michelson and Morley. Следовательно, эксперимент более близок к эксперименту Кеннеди–Торндайка [6], чем Майкельсона и Морли.
45 A null result in the latter needs, of course, only a FitzGerald contraction for an explanation in terms of an ether theory. Нулевой результат Майкельсона и Морли нуждается, конечно, только в привлечении понятия фицжеральдовского сокращения для его объяснения в рамках эфирной теории.
46
47 For performance of the present experiment, two ammonia beam masers were mounted with oppositely directed beams on a rack which rotated about a vertical axis. Для выполнения нашего эксперимента два аммиачных пучковых мазера с противоположным направлением пучков были смонтированы на раме, которая вращалась вокруг вертикальной оси.
48 The frequencies of these oscillators are near 23,870 Mc./s. Частоты этих генераторов составляли примерно 23.870 мГц.
49 The thermal velocity u = 0.6 km./s. for NH 3 at room temperature. Тепловая скорость u= 0,6 км/с для NH3 при комнатной температуре.
50 If the orbital velocity of the Earth is assumed to be the rate of motion through the ether, then υ = 30 km./s. and the frequency change 4uυν/c2 = 20 c./s. when the masers are rotated 180° from an initial east—west position at noon or midnight. Если орбитальную скорость Земли принять за скорость движения сквозь эфир, то υ = 30 км/с, а изменение частоты составит 4uυν/c2 = 20 Гц, когда мазеры повернутся на 180° от первоначальной позиции восток-запад в полдень или в полночь.
51
52 During a small fraction of a second the relative frequency of the two masers fluctuates randomly about 1/10 c./s. Во время небольших долей секунды относительная частота двух мазеров совершала случайные флуктуации на величину около 1/10 Гц.
53 Over somewhat longer periods, such as those required for measurement before and after rotation, the average frequency difference does not vary more than about 1/50 c./s. or one part in 1012. На протяжении некоторых длительных периодов, требуемых для проведения измерений, до и после поворота средняя частота изменилась не более чем на 1/50 Гц или на 1/1012.
54 Hence the 20 c./s. variation expected on an ether theory would be very easily detected. Следовательно, вариации в 20 Гц, ожидаемые из эфирной теории, должны быть легко обнаружимы.
55 Variation of about 1 c./s. on rotation of the two masers was in fact observed. На самом деле, были отмечены вариации около 1 Гц при вращении двух мазеров.
56
57 However, this variation could be eliminated by magnetically shielding the masers, and without shielding it remained constant to within about 1/50 c./s. as the Earth rotated throughout a 24-hr. run. 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.
58 This shows that no more than about 1/50 c./s. shift could be attributed to an ether drift. Это показывает, что сдвиг не более 1/50 Гц может быть приписан эфирному ветру.
59
60 The experiment involving rotation of the two masers was carefully done for the first time on September 20, 1958 [7]. Эксперимент с использованием вращения двух мазеров был тщательно выполнен в первый раз 20 сентября 1958 г. [7].
61 No proper effect as large as 1/50 c./s. was found. Не было зарегистрировано надлежащего эффекта, превышающего 1/50 Гц.
62 Hence, since the orbital velocity of the Earth of 30 km./s. would have given an effect of 20 c./s., the ether drift could not have been larger than 1/1,000 of this value, or 30 m./s. Следовательно, поскольку орбитальной скорости Земли 30 км/с должно соответствовать изменение частоты в 20 Гц, эфирный ветер не мог быть большим, чем 1 /1000 от этой величины или 30 м/с.
63 It is, of course, possible for the motion of the Earth to be just cancelled by the motion of the solar system through the ether at some particular time of the year. Конечно, возможно, что движение Земли было скомпенсировано в это время года движением Солнечной системы сквозь эфир.
64 The experiment has now been repeated at the Watson Laboratory during 24-hr. runs at approximately three-month intervals throughout the year. Поэтому эксперимент был повторен в Ватсоновской лаборатории в течение 24-часовых оборотов на протяжении почти трехмесячного интервала в течение года.
65 In none of these runs was any effect as large as 1/50 c./s. found. Но ни на одном из этих оборотов не было получено эффекта, превышающего 1/50 Гц.
66
67 The present experiment sets an upper limit on an ether-drift velocity about one-fiftieth that allowed by previous experiments. Настоящий эксперимент установил верхний предел скорости эфирного ветра около 1/50 той, которая следовала из предшествующих экспериментов.
68 This is in part because the effect measured is linear in the ether drift velocity υ. Такая часть определена тем, что измеренный эффект линеен относительно скорости эфирного ветра υ.
69 An experiment of the Michelson–Morley type is designed to detect a fractional change of the form (1/2)υ2/c2, which is an order of magnitude larger than the term /c2 discussed here. Эксперимент же типа эксперимента Майкельсона–Морли рассчитан на частичное изменение величины (1/2)υ2/c2, которая по порядку больше, чем величина /c2, обсуждаемая здесь.
70 An upper limit of 1/400 of (1/2)υ2c2 has been set by the very careful experiments of Joos [2] with a Michelson interferometer. Верхний предел в 1/400 от (1/2)υ2cустановлен очень тщательно экспериментами Иооса [2] с интерферометром Майкельсона.  
71 However, since this term is second order in υ, the upper limit given for the ether-drift velocity is one-twentieth of the orbital velocity of the Earth, or 1.5 km./s. Однако, поскольку это член второго порядка относительно υ, верхний предел, установленный для скорости эфирного ветра, есть 1/20 орбитальной скорости Земли или 1,5 км/с.
72 The present experiments have the advantage that the expected effect is linear in υ, and also that two clocks can now be compared with much greater precision than can two distances. Настоящие же эксперименты имеют то преимущество, что ожидаемый эффект пропорционален υ, а также то, что двое часов могут теперь сравниваться с много большей точностью, чем два расстояния.
73 This experiment, involving a comparison of two maser oscillators to an accuracy of one part in 1012, may perhaps represent the most precise experiment so far reported. Этот эксперимент, включающий сравнение двух мазерных генераторов с точностью 1012, может быть, является наиболее точным экспериментом из всех, до сих пор описанных.
74
75 For most physicists, a confirmation of the fundamental postulate of special relativity that no absolute motion can be detected comes as no surprise, and a more precise experimental test may not even seem important because this postulate is so intuitively satisfactory and firmly accepted. Для большинства физиков подтверждение фундаментального постулата специальной теории относительности об отсутствии абсолютного движения может и не являться сюрпризом, и более точная экспериментальная проверка может быть даже не важна, потому что этот постулат воспринимается интуитивно удовлетворительно и признается вполне правильным.
76 It should be noted, however, that the positive detection of an effect in the present experiment could give some new information without necessarily contradicting the general principles of relativity. Нужно, однако, заметить, что положительное определение эффекта в данном эксперименте могло бы дать некоторую новую информацию без необходимости противоречить основным принципам теории относительности.
77 The motion of the Earth involves velocity relative to other parts of the solar system, as well as to the fixed stars and external galaxies. Скорость движения Земли включает в себя скорость относительно других частей Солнечной системы, так же как и относительно неподвижных звезд и внешних галактик.
78 Hence this relative motion might, in principle, produce some anisotropy in space and some shift in relative frequency of the two masers when they are rotated by 180°. Следовательно, это относительное движение может, в принципе, создать некоторую анизотропию в пространстве и некоторый сдвиг относительно частоты двух мазеров, когда они поворачиваются на 180°.
79
80 Dicke [8] has suggested that an effect due to motion with respect to fixed masses in the universe should be present which is of the order of the fine structure constant, α, times the effect due to ether drift. Дике предположил [8], что эффект, производимый движением по отношению к неподвижным массам Вселенной, должен существовать реально, но он может иметь порядок тонкой структурной константы α, уменьшая влияние эфирного ветра.
81 This would correspond to a frequency shift in the present experiment of the order of 1/7 c./s. Это соответствует частотному сдвигу в настоящем эксперименте порядка 1/7 Гц.
82 Reasons given by Dicke why such a shift might occur are speculative, but very interesting. Причины, излагаемые Дике, по которым такой сдвиг может существовать, спекулятивны, но очень интересны.
83 The present results allow no shift larger than 1/50 c./s., which gives some indication against a term of the order 4αυν/c2. Настоящие результаты не дали сдвига более 1/50 Гц, который несколько отличается по порядку от величины 4αυν/c2.
84
85 Optical maser oscillators [9] should also lend themselves to interesting experiments on relativity, since they will probably be capable of examining changes in length as small as one part in 1012. Оптические мазерные генераторы [9] должны также сами по себе представлять интерес для экспериментов по специальной теории относительности, поскольку с их помощью, вероятно, можно будет проверять изменения длины менее 1/1012.  
86 An optical maser oscillator could be constructed with a resonance between two etalon plates which is narrower in frequency than the atomic resonance supplying energy. Оптический мазерный генератор может быть сконструирован с резонансом между двумя эталонными пластинами, который ближе по частоте, чем атомный резонанс поглощаемой энергии.
87 In this case the frequency would depend primarily on the spacing between the plates, rather than on the atomic frequency. В этом случае частота должна зависеть в основном от расстояния между пластинами, а не от атомной частоты
88 It is estimated that the oscillation would be monochromatic to about one part in 1011. Предполагается, что генератор будет монохроматическим в пределах около 1/1011.
89 This suggests an experiment in which the oscillations of two optical masers are beat together in a photocell. Это предполагает эксперимент, в котором генерации от двух оптических мазеров образуют биение в фотоэлементе.
90 One of the masers may be rotated about a vertical axis. Один из мазеров может поворачиваться вокруг вертикальной оси.
91 On the basis of an ether theory, the beat frequency should then vary by an amount ±υ2ν/2c2, for the same reasons that the Michelson-Morley experiment was expected to show a variation of path length. Если исходить из теории эфира, частота биения должна изменяться на величину ±υ2ν/2c2 по тем же самым причинам, что и в эксперименте Майкельсона–Морли предполагалось увидеть изменение в длине оптического пути.
92 The fraction υ2/c2 is 108, so that its presence could probably be tested with excellent precision. Составляющая υ2/c2 есть 108, так что ее существование может быть обнаружено с отличной точностью [12].
93
94 [1] Michelson, A. A., and Morley, E. W., Amer. J. Sci., 34, 333 (1887). [1] Michelson A.A., Morley E.W. On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether // American Journal of Science, Vol.34. No. 203, P.333 (1887).
95 [2] Joos, G., Ann. Phys., 7, 385 (1930). [2] Joos G. The Jena repetition of the Michelson experiment  // Annalen der Physik Vol. 7. No 4, P. 385–407 (1930). http://bit.ly/12UbxBX
96 [3] Miller, D. C., Revs. Mod. Phys., 5, 203 (1933). [3] Miller D.C. The Ether-Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth // Reviews of Modern Physics Vol.5. P.203 (1933).
97 See, however, Shankland, R. S., McCuskey, S. W., Leone, F. C., and Kuerti, G., ibid., 27, 167 (1955). См., однако, Shankland R.S., McCuseey S.W., Leone F.C., Kuerti G. New Analysis of the Interferometer Observations of Dayton C. Miller // Reviews of Modern Physics, Vol.27. P.167 (1955) http://bit.ly/156jIvl
98 (дальнейшая дискуссия — James DeMeo, Ph.D. Dayton Miller's Ether-Drift Experiments: A Fresh Look // NPA 2000, Pulse of the Planet #5, 2002. http://www.orgonelab.org/miller.htm — Прим. ред.).
99 [4] Gordon, J. P., Zeiger, H. J., and Townes, C. H., Phys. Rev., 99, 1264 (1955). [4] Gordon J.P., Zeiger H.J. Townes C.H. The Maser—New Type of Microwave Amplifier, Frequency Standard, and Spectrometer// Physical Review Vol. 99. P. 1264 (1955) http://prola.aps.org/toc/PR/v99/i4
100 [5] Møller, C., Nuovo Cimento, 6, Supp., 381 (1957). [5] Møller С. On the possibility of terrestrial test of the general theory of relativity // Nuovo Cimento, Vol.6, Supp. P.381 (1957). http://bit.ly/12FLUmL
101 [6] Kennedy, R.J., and Thorndike, E. M., Phys. Rev., 42, 400 (1932). [6] Kennedy R.J., Thorndike E.M. Experimental Establishment of the Relativity of Time // Physical Review 1932. Vol.42. P.400. http://bit.ly/18ikWbg
102 [7] Cedarholm. J. P., Bland, G. F., Havens, B. L., and Townes, C. H., Phys. Rev. Letters, 1, 342 (1958). [7] Cedarholm J.P., Bland G.F., Havens B.L., Townes C.H. // Physical Review Letters. 1958. Vol.1. P.342.
103 [8] Dicke, R. H., Proc. Symp. Quantum Electronics, Columbia Univ. Press (to be published). [8] Dicke R.H. // Proc. A Symposium on Quantum Electronics. Columbia University Press. 1960.
104 [9] Schawlow, A. L., and Townes, C. H., Phys. Rev., 112, 1940 (1958). [9] Schawlow A.L., Townes C.H. Infrared and Optical Masers // Physical Review, Vol. 112. P. 1940 (1958).  http://bit.ly/128TtHF

Перевод: В.А.Ацюковский, сб. «Эфирный ветер», 1993

Редактирование: Р.Г.Чертанов, 27 мая 2013 г.