Funt-Rebka tajribasi - Pound–Rebka experiment

Garvard universitetidagi Jefferson laboratoriyasi. Tajriba chap "minora" da sodir bo'ldi. Keyinchalik uyingizda 2004 yilda kengaytirildi.

The Funt-Rebka tajribasi bu tajriba edi gamma nurlari minora tepasidan chiqarilib, minora ostidagi qabul qilgich bilan o'lchangan. Tajribaning maqsadi sinovdan o'tkazish edi Albert Eynshteyn nazariyasi umumiy nisbiylik fotonlar tortishish manbasiga (Yerga) qarab sayohat qilishda energiya olishini ko'rsatib. Tomonidan taklif qilingan Robert Pound va uning aspiranti Glen A. Rebka kichik. 1959 yilda,^[1] va oxirgisi edi umumiy nisbiylikning klassik sinovlari tekshirilishi kerak (o'sha yili). Bu gravitatsiyaviy qizil siljish tortishish maydonida harakatlanadigan yorug'lik chastotasining o'zgarishini o'lchaydigan tajriba. Ushbu tajribada chastotalarning siljishi a edi ko'k rang yuqori chastotaga qarab. Bunga teng ravishda, test a ning turli joylarida soatlarning har xil tezlikda ishlashi kerakligi haqidagi umumiy nisbiylik bashoratini namoyish etdi tortishish maydoni. Umumiy nisbiylikning aniqlik sinovlari davrini boshlagan tajriba deb hisoblanadi.

Umumiy nuqtai

O'ylab ko'ring elektron hayajonlangan holatda atom bilan bog'langan. Elektron hayajonlangan holatdan pastroq energetik holatga o'tishni boshlaganda, u a chiqadi foton hayajonlangan holat va pastki energiya holati o'rtasidagi energiya farqiga mos keladigan chastota bilan. Teskari jarayon ham sodir bo'ladi: agar elektron pastroq energiya holatida bo'lsa, u bu o'tish uchun rezonans chastotada fotonni yutib, qo'zg'algan holatga o'tishi mumkin. Amalda foton chastotasi aynan rezonans chastotada bo'lishi shart emas, aksincha rezonans chastotasi markazida joylashgan tor chastotada bo'lishi kerak: chastotasi ushbu mintaqadan tashqarida bo'lgan foton elektronni yuqori energiya holatiga qo'zg'ata olmaydi.

Endi ushbu elektron-atom tizimining ikkita nusxasini ko'rib chiqing, biri hayajonlangan holatda (emitent), ikkinchisi pastki energiya holatida (qabul qiluvchi). Agar ikkala tizim bir-biriga nisbatan harakatsiz bo'lsa va ular orasidagi bo'shliq tekis bo'lsa (ya'ni tortishish maydonlarini e'tiborsiz qoldirsak), u holda emitent chiqaradigan fotonni qabul qiluvchidagi elektron yutishi mumkin. Ammo, agar ikkita tizim tortishish maydonida bo'lsa, u holda foton tushishi mumkin gravitatsiyaviy qizil siljish birinchi tizimdan ikkinchisiga o'tayotganda, qabul qilgich tomonidan kuzatilgan foton chastotasi dastlab chiqarilganda emitent tomonidan kuzatilgan chastotadan farq qiladi. Redshift-ning mumkin bo'lgan yana bir manbai bu Dopler effekti: agar ikkita tizim bir-biriga nisbatan statsionar bo'lmasa, u holda foton chastotasi ular orasidagi nisbiy tezlikda o'zgaradi.

Pound-Rebka tajribasida emitent minora tepasida, qabul qilgichi pastki qismida joylashgan. Umumiy nisbiylik Quyidagi formulaga ko'ra Yerning tortishish maydoni pastga (Yerga qarab) chiqariladigan fotonni ko'k rangga aylantirishiga (ya'ni uning chastotasi oshishiga) sabab bo'lishini taxmin qilmoqda.

{ displaystyle f_ {r} = { sqrt { frac {1 - { dfrac {2GM} {(R + h) c ^ {2}}}} {1 - { dfrac {2GM} {Rc ^ { 2}}}}}} f_ {e},}

qayerda ${ displaystyle f_ {r}}$ va ${ displaystyle f_ {e}}$ qabul qiluvchining va emitentning chastotalari, h qabul qiluvchi va emitent o'rtasidagi masofa, M er massasi, R bo'ladi Yerning radiusi, G bu Nyutonning doimiysi va v bo'ladi yorug'lik tezligi. Gravitatsiyaviy moviy siljish ta'siriga qarshi turish uchun emitent yuqoriga qarab (qabul qiluvchidan uzoqlashtirilib), foton chastotasi o'zgarishiga olib keldi, bu esa Dopler siljish formulasiga muvofiq:

{ displaystyle f_ {r} = { sqrt { frac {1-v / c} {1 + v / c}}} f_ {e},}

qayerda ${ displaystyle v}$ - bu emitent va qabul qiluvchi o'rtasidagi nisbiy tezlik. Pound va Rebka nisbiy tezlikni o'zgartirdi ${ displaystyle v}$ Shunday qilib, Dopler redshift tortishish mavimsi siljishini to'liq bekor qildi:

{ displaystyle { sqrt {{ frac {1-v / c} {1 + v / c}} cdot { frac {1 - { dfrac {2GM} {(R + h) c ^ {2} }}} {1 - { dfrac {2GM} {Rc ^ {2}}}}}}} = 1.}

Pound-Rebka tajribasi misolida ${ displaystyle h ll R}$ ; minora balandligi yer radiusi bilan taqqoslaganda juda kichik va tortishish maydonini doimiyga yaqinlashtirish mumkin. Shuning uchun Nyuton tenglamasidan foydalanish mumkin:

{ displaystyle v approx { frac {gh} {c}}}

= 7.5×10⁻⁷ Xonim

22,5 metr masofada gravitatsiyaviy qizil siljish bilan bog'liq energiya juda kichik. Energiyaning kasr o'zgarishi δ bilan beriladiE/E, ga teng gh/v² = 2.5×10⁻¹⁵. Bunaqa, qisqa to'lqin uzunligi bunday daqiqalik farqlarni aniqlash uchun yuqori energiyali fotonlar talab qilinadi. 14 keV gamma nurlari tomonidan chiqarilgan temir-57 u o'zining asosiy holatiga o'tganda ushbu tajriba uchun etarli ekanligini isbotladi.

Odatda, atom foton chiqarganda yoki yutganda, u ham harakat qiladi (orqaga qaytish ) printsipi tufayli fotondan bir oz energiyani tortib oladigan ozgina impulsning saqlanishi.

Ushbu orqaga qaytarish effektini qoplash uchun zarur bo'lgan Doppler siljishi gravitatsiyaviy qizil siljishni o'rnini bosish uchun zarur bo'lgan Doppler siljishidan ancha kattaroq (taxminan 5 daraja). Ammo 1958 yilda Rudolf Mussbauer barcha atomlar qattiq jismda panjara orqaga qaytish energiyasini yutish panjaradagi bitta atom gamma nurini chiqarganda. Shuning uchun, chiqaradigan atom juda oz harakat qiladi (xuddi to'p, masalan, qum torbalari bilan bog'langanda katta orqaga qaytmaydi). Bu Pound va Rebka-ga o'zlarining eksperimentlarini Messsbauer spektroskopiyasi.

Sinov o'tkazildi Garvard universiteti Jefferson laboratoriyasi. O'z ichiga olgan qattiq namuna temir (⁵⁷Fe) chiqaradigan gamma nurlari a markaziga joylashtirilgan karnay binoning tomiga yaqin joylashgan konus. O'z ichiga olgan yana bir namuna ⁵⁷Fe podvalga joylashtirilgan. Ushbu manba va absorber o'rtasidagi masofa 22,5 metrni (73,8 fut) tashkil etdi. Gamma nurlari a orqali o'tib ketdi Mylar minimallashtirish uchun geliy bilan to'ldirilgan sumka tarqalish gamma nurlarining A sintilatsion hisoblagich qabul qilish ostiga qo'yilgan ⁵⁷Qabul qiluvchi namuna tomonidan so'rilmagan gamma nurlarini aniqlash uchun Fe namunasi. Karnay konusini tebranish bilan gamma-nur manbai har xil tezlik bilan harakatlanadi va shu bilan har xil Dopler siljishlarini hosil qiladi. Dopler siljishi gravitatsiyaviy mavjlanishni bekor qilganda, qabul qiluvchi namuna singdirilgan gamma nurlarini va sintillyatsiya hisoblagichi tomonidan aniqlangan gamma nurlarining soni shunga mos ravishda kamayadi. Absorbsiya o'zgarishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin bosqich dinamikning tebranishi, shu sababli chiqadigan namunaning tezligi va shuning uchun Dopler siljishi bilan. Mumkin bo'lgan o'rnini qoplash uchun muntazam xatolar, Pound va Rebka karnay chastotasini 10 Hz va 50 Hz oralig'ida o'zgartirdi, manba va absorber-detektorni almashtirdi va turli karnaylardan (ferroelektrik va harakatlanuvchi spiral magnitdan foydalangan) transduser ).^[2] Absorber va detektorning pozitsiyalarini almashtirishning sababi ta'sirni ikki baravar oshiradi. Pound ikki eksperimental natijani chiqarib tashladi:

minora tepasida joylashgan manba bilan chastota siljishi
minora ostidagi manba bilan chastota siljishi

Ikkala holat uchun chastota siljishi bir xil kattalikka ega, ammo qarama-qarshi belgilar. Natijalarni olib tashlaganda, Pound va Rebka bir tomonlama tajribadan ikki baravar katta natija olishdi.

Natijada umumiy nisbiylik prognozlari 10% darajasida tasdiqlanganligi tasdiqlandi.^[3] Keyinchalik bu Pound va Snider tomonidan 1% darajadan yaxshiroq yaxshilandi.^[4]; ^[5]

Boshqa sinov, Gravitatsiya probasi A, kosmosga bog'liq vodorodli maser o'lchovning aniqligini taxminan 10 ga oshirdi⁻⁴ (0.01%).^[6]

Adabiyotlar

^ Pound, R. V .; Rebka Jr. G. A. (1959 yil 1-noyabr). "Yadro rezonansidagi tortishish qizil-siljishi". Jismoniy tekshiruv xatlari. 3 (9): 439–441. Bibcode:1959PhRvL ... 3..439P. doi:10.1103 / PhysRevLett.3.439.
^ Mester, Jon (2006). "Umumiy nisbiylikning eksperimental sinovlari" (PDF): 9–11. Olingan 2007-04-13. Iqtibos jurnali talab qiladi | jurnal = (Yordam bering)
^ Pound, R. V .; Rebka Jr. G. A. (1960 yil 1 aprel). "Fotonlarning aniq og'irligi". Jismoniy tekshiruv xatlari. 4 (7): 337–341. Bibcode:1960PhRvL ... 4..337P. doi:10.1103 / PhysRevLett.4.337.
^ Pound, R. V .; Snider J. L. (1964 yil 2-noyabr). "Gravitatsiyaning yadro rezonansiga ta'siri". Jismoniy tekshiruv xatlari. 13 (18): 539–540. Bibcode:1964PhRvL..13..539P. doi:10.1103 / PhysRevLett.13.539.
^ Xentschel, Klaus (1996-04-01). "1959 yildan 1971 yilgacha gravitatsiyaviy qizil siljishni o'lchash" (maqola). Ilmlar tarixi. 53 (3): 269–295. doi:10.1080/00033799600200211. Olingan 2020-06-14.
^ Vessot, R. F. C .; M. V. Levin; E. M. Mettison; E. L. Blomberg; T. E. Xofman; G. U. Nystrom; B. F. Farrel; R. Decher; P. B. Eby; C. R. Baugher; J. Vatt; D. L. Teuber; F. D. Uills (1980 yil 29 dekabr). "Kosmosda ishlatiladigan vodorodli maser yordamida nisbiy tortishish kuchini sinash". Jismoniy tekshiruv xatlari. 45 (26): 2081–2084. Bibcode:1980PhRvL..45.2081V. doi:10.1103 / PhysRevLett.45.2081.

Tashqi havolalar

[1] Pound, R. V .; Rebka Jr. G. A. (1959 yil 1-noyabr). "Yadro rezonansidagi tortishish qizil-siljishi". Jismoniy tekshiruv xatlari. 3 (9): 439–441. Bibcode:1959PhRvL ... 3..439P. doi:10.1103 / PhysRevLett.3.439.

[2] Mester, Jon (2006). "Umumiy nisbiylikning eksperimental sinovlari" (PDF): 9–11. Olingan 2007-04-13. Iqtibos jurnali talab qiladi | jurnal = (Yordam bering)

[3] Pound, R. V .; Rebka Jr. G. A. (1960 yil 1 aprel). "Fotonlarning aniq og'irligi". Jismoniy tekshiruv xatlari. 4 (7): 337–341. Bibcode:1960PhRvL ... 4..337P. doi:10.1103 / PhysRevLett.4.337.

[4] Pound, R. V .; Snider J. L. (1964 yil 2-noyabr). "Gravitatsiyaning yadro rezonansiga ta'siri". Jismoniy tekshiruv xatlari. 13 (18): 539–540. Bibcode:1964PhRvL..13..539P. doi:10.1103 / PhysRevLett.13.539.

[5] Xentschel, Klaus (1996-04-01). "1959 yildan 1971 yilgacha gravitatsiyaviy qizil siljishni o'lchash" (maqola). Ilmlar tarixi. 53 (3): 269–295. doi:10.1080/00033799600200211. Olingan 2020-06-14.

[6] Vessot, R. F. C .; M. V. Levin; E. M. Mettison; E. L. Blomberg; T. E. Xofman; G. U. Nystrom; B. F. Farrel; R. Decher; P. B. Eby; C. R. Baugher; J. Vatt; D. L. Teuber; F. D. Uills (1980 yil 29 dekabr). "Kosmosda ishlatiladigan vodorodli maser yordamida nisbiy tortishish kuchini sinash". Jismoniy tekshiruv xatlari. 45 (26): 2081–2084. Bibcode:1980PhRvL..45.2081V. doi:10.1103 / PhysRevLett.45.2081.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]