Navigation




Основание СТО. Введение

2013-05-15, Естествознание , Дмитрий Белабенко

,

Статья Основание СТО. Введение перенесена на страницу социальной сети VK по адресу Статья Основание СТО. Введение. Перенос осуществлен в связи с прекращением действия сайта в скором будущем.

Переведенная статья [1]. Некоторые имена, фамилии и названия работ в ней указаны на иностранных языках.

Физика - экспериментальная наука, и экспериментальное подтверждение для любой физической теории чрезвычайно важно. Отношения между теорией и экспериментами в современной науке противоречивые:

Требуется, чтобы теория не опровергалась каким-нибудь бесспорным экспериментом в пределах области применения теории.

Ожидается, что теория подтверждена многими экспериментами, такими что:

Охватывают существенную долю области применимости теории

Проверяют существенную долю предсказаний теории

В настоящее время, Специальная Теория Относительности (СТО) отвечает всем этим требованиям и ожиданиям. Существует буквально сотни экспериментов, которые проверили СТО, с огромным диапазоном и разнообразием, и согласование между теорией и экспериментом превосходно. Есть большая избыточность в этих экспериментах. Есть также много косвенных экспериментов СТО, которые не рассмотрены здесь. Этот список экспериментов ни в коем случае не полон!

Также кроме их достаточного количества, самое поразительное в этих экспериментах СТО - их замечательная широта и разнообразие. Важный аспект СТО - универсальность - она относится ко всем известным физическим явлениям и не только к электромагнитным явлениям, для объяснения которых она была первоначально изобретена. В этих экспериментах Вы найдете тесты, с применением электромагнитных и ядерных измерений (включая сильные и слабые взаимодействия). Гравитационные тесты – область применения Общей Теории Относительности здесь не рассмотрены.

Есть несколько полезных обзоров экспериментальных основ СТО:

Modern Tests of Lorentz Invariance [Современные опыты по постоянной Лоренцо], обсуждаемый на интернет портале LivingReviews {http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2005-5/index.html}.

Y.Z. Zhang, Special Relativity and its Experimental Foundations, World Scientific [Специальная Теория Относительности и ее Экспериментальное основание, Мировая наука] (1997).

G. Holton, “Resource Letter SRT-1 on Special Relativity Theory”, Am. J. Phys., 30 (1962), pg 462.

D.I. Blotkhintsev, “Basis for Special Relativity Theory Provided by Experiments in High Energy Physics” [“Основание для Специальной Теории Относительности, представленное экспериментами физики высоких энергий”], Sov. Phys. Uspekhi, 9 (1966), pg 405.

Newman et al. Phys. Rev. Lett. 40 no 21 (1978), pg 1355.

Книга Жанга является особенно всеобъемлющей. Статья из LivingReviews вдается в значительные подробности, связывающие текущие теоретические идеи с экспериментальными тестами.

Следующие учебники содержат хорошую подборку экспериментального основания теории относительности:

M. Born, Einstein's theory of Relativity [Теория Относительности Эйнштейна].

Bergmann, Introduction to the Theory of Relativity [Введение в Теорию Относительности].

Moller, The Theory of Relativity [Теория Относительности].

M. von Laue, Die relativitatstheorie [Теория относительности (на немецком языке)].

Альберт Эйнштейн представил миру Специальную теорию относительности в статье 1905 года: A. Einstein, “Zur Elektrodynamik bewegter Korper”, Ann. d. Physik, 17, 1905 (“Об электродинамике движущихся тел”). Она представлена в нескольких формах:

Эйнштейн и др., Принцип Относительности, Methuen and Company, Ltd., 1923; переиздана Довером в 1952.

http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/109924449/PDFSTART (оригинал на немецком языке, переизданный издателем).

http://www.physik.fu-berlin.de / ~ kleinert/files/1905_17_891-921.pdf (оригинал на немецком языке).

http://www.fourmilab.ch/etexts/einstein/specrel/specrel.pdf (переведено на английский язык Джеффрис и Перри).

Отметьте, однако, что СТО не превосходно (в согласии с каждым экспериментом), и некоторые эксперименты находятся в разногласии с ее предсказаниями. Смотрите эксперименты, которые Очевидно не Совместимы с СТО, где на некоторые из этих экспериментов ссылаются и обсуждают. Ясно, что большинство, если не все, из этих экспериментов имеют трудности, не связанные с СТО. Отметьте также, что немногие, если такие есть, стандартные источники или учебники упоминают о возможности того, что некоторые эксперименты могли бы не согласовываться с СТО, и есть также аспекты уклона публикаций в литературе. В них говорится, как в этой записи, нет никаких воспроизводимых и общепринятых экспериментов, которые не согласуются с СТО, в пределах области ее применения.

Технически, основание СТО - преобразования Лоренца, и много недавних статей выражают это следующим образом. Есть близкая связь с теоремой Людерса - Паули, и многие из недавних экспериментов относятся и к преобразованию Лоренца и к теореме Людерса - Паули. Недавно были конференции по преобразованию Лоренца и нарушениям теоремы Людерса - Паули:

Костелецкий В.А., редактор, Теорема Людерса-Паули и и Симметрия Лоренца, Слушания состоялись в Университете Индианы, Блумингтон, США, 6-8 ноября 1998, (Мир Науки, Сингапур, 1999).

Костелецкий В.А., редактор, Третья встреча по теореме Людерса-Паули и Симметрии Лоренца, Слушания состоялись в Блумингтоне, США, 4-7 августа 2004, (Мир Науки, Сингапур, 2005).

Значительная часть возобновленного интереса к тестированию СТО привлечена при рассмотрении квантовой силы тяжести, которая подразумевает, что в подходящем масштабе (очень маленькое расстояние, очень высокая энергия) СТО могла бы нарушаться. Вот некоторые обзорные статьи (в порядке от менее к более техническим):

Костелецкий, «Поиск нарушений относительности», Американская наука, сентябрь 2004, стр. 93.

Поспелов и Ромалис, «Постоянство Лоренца на испытаниях», Физика Сегодня, 57, стр. 40 (июль 2004).

Уилл, «Специальная теория относительности: Столетняя перспектива», arxiv:gr-qc/0504085 (2005) {http://arxiv.org/abs/gr-qc/0504085}.

Маттингли, «Современная проверка постоянства Лоренца», arXiv:gr-qc/0502097 (2005) {http://arxiv.org/abs/gr-qc/0502097}.

Есть также новая литература по «двойной специальной теории относительности», в которой есть две постоянные величины: скорость света и масштаб Планка. Доступно введение (но оно является значительно более техническим, чем предыдущие обзоры):

Ковальски-Гликман, J., «Введение в двойную специальную теорию относительности», (2004). arxiv:hep-th/0405273 {http://arxiv.org/abs/hep-th/0405273}.

Область применения физической теории - набор физических ситуаций, в которых теория действительна. Для специальной теории относительности – это, в основном, измерения расстояния, время, импульса, энергии, и т.д. в инерционных рамках (системах координат); расчеты могут быть применены к специальной теории относительности и в ускоренных системах, что способна сделать математика дифференциальной геометрии. Более техническое определение - то, что специальная теория относительности действительна только в плоских множествах Лоренца, топологически эквивалентных R4.

В частности, любой эксперимент, в котором эффекты тяготения важны, вне области специальной теории относительности. Потому что специальная теория относительности является частным пределом общей теории относительности, можно считать большой ошибкой, когда каждый применяет специальную теорию относительности к ситуации, которая является приблизительно, но не точно инерциальной, такие как, в общем случае, установки экспериментального аппарата непосредственно в гравитационном поле на поверхности Земли. Во многих случаях (например, большинство оптических экспериментов и эксперименты с элементарными частицами на поверхности вращающейся Земли) эти ошибки значительно меньше, чем разрешающая способность эксперимента, и специальная теория относительности может быть точно применена.

Экспериментальная проверка специальной теории относительности - обобщение преобразований Лоренца специальной теории относительности, с использованием дополнительных параметров. Тогда можно проанализировать эксперименты, используя экспериментальную теорию (а не специальную теорию относительности непосредственно) и подогнать параметры экспериментальной теории к результатам эксперимента. Если значения соответствующего параметра отличаются значительно от значений, соответствующих СТО, то эксперимент противоречит СТО. Но более обычно, такое соответствие может показать, как хорошо эксперимент подтверждает или не подтверждает СТО, и что экспериментальная точность достаточна для этого. Что дает общий и управляемый метод анализа, который может быть общим для многих экспериментов.

Различные экспериментальные проверки теории отличаются по своим предположениям о том, какую форму преобразования уравнений могут принять корректно. Сейчас существует четыре проверочных эксперимента СТО:

Robertson, Rev. of Mod. Phys. 21, pg 378 (1949).

Edwards, Am. J. Phys. 31 (1963), pg 482.

Mansouri and Sexl, Gen. Rel. Grav. 8 (1977), pg 497, pg 515, pg 809.

Zhang, Специальная теория относительности и ее экспериментальное основание.

Жанг рассматривает их взаимосвязи и представляет объединенную экспериментальную теорию, охватывающую другие три, но с лучшим и большим количеством поддающихся толкованию оцениваемых параметров. Его рассуждение подразумевает, что будет не более трех экспериментальных теорий СТО, которые не сводимы к одной из первых трех.

Робертсон показал, что можно однозначно вывести преобразования Лоренца в СТО с точностью до ~0.1 % исходя из следующих трех экспериментов: Майкельсона и Морли, Кеннеди и Торндайка, Айвса и Стилуэла. Жанг показал, что современные эксперименты определяют, что преобразования Лоренцо согласуются с ними в пределах нескольких миллионных долей.

Эти экспериментальные теории могут также использоваться, чтобы исследовать потенциальные альтернативные теории СТО; такие альтернативные теории предсказывают специфические значения параметров экспериментальной теории, которая может легко быть сравнима со значениями, определенными анализом экспериментов, с экспериментальной теорией. Существующие эксперименты накладывают довольно сильные экспериментальные ограничения на любую альтернативную теорию.

В частности, Жанг показал, что эти экспериментальные пределы по существу требуют, чтобы любая теория, основанная на существовании эфира, была экспериментально неразличима от СТО, и имела ненаблюдаемую структуру эфира (единственная альтернатива для теории “жить в рамках погрешностей” экспериментов, которой достаточно сложно получить высокое соответствие, достигнутое многими из этих экспериментов). Отметьте также, что некоторые из параметров в этих экспериментальных теориях вообще не определены СТО (или экспериментами) - это означает, что много различных теорий, характеризующихся различными значениями таких параметров, эквивалентны СТО, в которой они экспериментально неотличимы от СТО (хотя они отличаются от СТО по другим аспектам).

Кроме того, есть “расширение стандартной модели (SME)” Коллади и Костелецки, которая расширяет стандартную модель физики элементарных частиц с различными приемлемыми нарушениями правил Лоренца. Она находится в контексте квантовой области теории, и подробное рассмотрение лежит вне области этой статьи (которая ограничена СТО и ее непосредственными следствиями). Цель многих из недавних экспериментов состоит в том, чтобы определить пределы многих параметров этой экспериментальной теории. Коллади и Костелецки, Физика. Rev. D55 (1997) pg 6760 (arxiv:hep-ph/9703464 {http://arxiv.org/abs/hep-ph/9703464}), и Физика. Rev. D 58, 116002 (1998) (arxiv:hep-ph/9809521 {http://arxiv.org/abs/hep-ph/9809521}).

Много измерений скорости света касаются прохождения света через некоторую материальную среду. Это может лишить законной силы некоторые заключения измерений из-за теоремы затухания Эвалда и Оусина. Эта теорема утверждает, что скорость света приблизится к скорости c/n относительно среды (n ее показатель преломления), и она также определяет длину пути, требуемую для такого приближения. Требуемое расстояние сильно зависит от показателя преломления среды и длины волны: для видимого света и оптического стекла составляет меньше микрона, для воздуха - приблизительно миллиметр и для межгалактической среды - несколько парсек. Таким образом, даже астрономические наблюдения по обширным расстояниям в "вакууме" космоса восприимчивы к эффектам этой теоремы. Отметьте, что эта теорема базируется исключительно на классической электродинамике, и для гамма-лучей, обнаруженных как отдельные частицы, не применима; также не ясно, как она может быть применима к теориям отличным от СТО и классической электродинамики. Смотрите например: J.G. Fox, Am. J. Phys. 30, pg 297 (1962), JOSA 57, pg 967 (1967), и AJP 33, pg 1 (1964). Элементарное обсуждение дано в Ballenegger и Weber, AJP 67, pg 599 (1999). Стандартная ссылка Born и Wolf, Principles of Optics [Принципы оптики], и исходная работа - Oseen, Ann. der Physik 48, pg 1, 1915.

Основание СТО. Введение
Ранние эксперименты СТО (до 1905 г.)
Проверка двух постулатов Эйнштейна
Растяжение времени. Поперечный эффект Допплера
Парадокс близнецов
Эксперименты по релятивистской кинематике
Эксперименты по сокращению длины
Теорема Людерса-Паули и инвариант Лоренца
Другие эксперименты СТО и ОТО

1. Экспериментальное основание специальной теории относительности

Другие статьи на подобные темы:
Лженаучные дискуссии
Этюды 1, 2, 3 о шарлатанах
"Джентльмены удачи" в науке
Удивительный сосуд
Критический анализ новых идей


Теория происхождения культурных растений

2016-10-15, Естествознание, Светлана Аксенова,

Основоположник российской селекции Николай Иванович Вавилов родился в 1887 г. в Москве. С юных лет его интересовала окружающая природа. Ещё будучи студентом Московского сельскохозяйственного института, он занимался проблемой иммунологии растений. Впоследствии Н.И. Вавилов много путешествовал, собирая коллекции различных культурных растений и общаясь с видными учеными Англии, Франции, Германии. Неоднократно он ездил с научной целью в Азию — Иран, Бухару, Афганистан, бывал на Кавказе. На основе собранных коллекций семян и гербариев Н.И. Вавилов готовил серьезный обобщающий труд по селекции и генетике растений.

Подробно


Биоценоз и экосистема

2016-04-21, Естествознание, А.В. Ганжина,

На основе биотических взаимоотношений создаются сообщества растительных и животных организмов — биоценозы.

Подробно


Теория отражения

2016-04-07, Естествознание, Константин Платонов,

Любой живой организм беспрерывно взаимодействует с окружающей средой, в результате чего происходит его развитие.

Подробно


Структура периодической таблицы химических элементов

2016-03-13, Естествознание, Н. Ахметов,

Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и строения. В химическом процессе происходит перегруппировка атомов, разрыв химических связей в исходных веществах и образование химических связей в продуктах реакции. В результате химических реакций происходит превращение химической энергии в теплоту, свет и пр.

Подробно


Периодическая система химических элементов

2016-04-01, Естествознание, Светлана Аксенова,

Дмитрий Иванович Менделеев родился в г. Тобольске 8 февраля 1834 г. Окончив в 1855 г. Главный педагогический институт в Петербурге, он служил учителем гимназии в г. Одессе. В 1857 г. Менделеев вернулся в столицу, а с 1865 г. получил профессорскую должность в Петербургском университете.

Подробно


Точка зрения администрации сайта может не совпадать с мнением авторов.
2010-2017 © Анидор
Любое использование материалов сайта, полностью или частично, разрешается только с согласия правообладателя.
Если Вы обнаружили опечатку или неработающую ссылку, просьба сообщить администрации сайта.