Хафеле-Китингов експеримент

Хафеле-Китинговиот експеримент бил тест во теоријата за релативноста. Во Октомври 1971, Јосеф Хафеле, физичар, и Ричард Китинг, астроном, внеле во авионите четири атомски часовници со цезиумски зраци. Го прелетале светот двапати, прво источно, потоа западно, и ги споредиле нивните часовници со останатите во Поморската опсерваторија на САД. Кога се соединиле, трите групи часовници не се согласувале мегусебно, и нивните разлики биле во согласност со предвидувањата на специјалната теорија за релативноста.

Преглед
Кинематична временска дилатација
Според специјалната релативност, стапката на часовникот е најголема според надгледувач кој е во мирување во однос на часовникот. Во рамка на референца каде часовникот не е во мурување, часовникот се движи побавно, како што е изразено од Лоренцовиот фактор. Овој ефект, кој бил наречен временска дилатација, бил потврден во многу тестови на специјалната релативност, како што е Ивес-Стилвеловиот експеримент и експерименталното тестирање на временската дилатација. Extract of page 152 Со оглед на Хафеле-Китинговиот експеримент во рамка на референца во мирување која се гледа во однос на центарот на земјата, часовникот во авионот кој се движел источно, во насоката на Земјината ротација, имал поголема брзина (кое довело до релативна загуба на време) отколку часовникот кој се наоѓал на површината, додека часовникот во авионот кој се движел западно, наспроти Земјината ротација,имал помала брзина отколку часовникот кој се наоѓал на површината. Extract of page 500

Гравитациска временска дилатација

Општата релативност предвидува дополнителен ефект, во која зголемувањето на гравитацискиот потенцијал поради височината ги забрзува часовниците. Поточно, часовници на поголема височина функционираат побрзо од часовниците на површината на Земјата. Овој ефект бил потврден во многу тестови на општата релативност, како што е експериментот на Паунд и Ребка и Гравитациското испитување А. Во Хафеле-Китинговиот експеримент, имало мало зголемување на гравитацискиот потенцијал поради височината која има тенденција повторно да ги забрза часовниците. Бидејќи авионот летал приближно на иста висина и во двете насоки, овој ефект бил приближно ист за двата авиони, но сепак тоа предизвикало разлика во споредба со часовниците на површината.

Резултати
Резултатите биле објавени во Science во 1972:

  наносекунди добиени, предвидени наносекундидобиени,измерени  разлика гравитациска
(општа релативност) кинематичка
(специјална релативност) вкупно  источно +144 ±14 −184 ±18 −40 ±23 −59 ±10  σ западно +179 ±18 +96 ±10 +275 ±21 +273 ±7  σ

Објавениот резултат на експериментот бил во согласност со специјалната и општата релативност. Набљудуваните временски добивки и загуби биле различни од нула до висок степен на доверба, и биле во согласност со релативистичките предвидувања до ~ 10% од прецизноста на експериментот.

Историско и научно потекло
Во неговиот оригинален труд на специјалата релативност од 1905 година, Ајнштајн предложил можен тест на теоријата: "Оттука заклучуваме дека пролет-часовникот на екваторот мора да оди побавно, со многу мала количина, отколку сличен часовник кој се наоѓа на еден од половите под идентични услови." Всушност, сега е познато дека сите часовници што се наоѓаат на нивото на морето на површината на Земјата функционираат со иста стапка, безразлика на ширината, бидејќи ефектите на кинематичката и гравитациската временска дилатација се поништуваат. Кинематичкиот ефект бил потврден во Ивес-Стилвеловиот експеримент во 1938 г. и во Роси-Халовиот експеримент во 1940 г. Предвидувањата на општата релативност за гравитацискиот ефект биле потврдени во 1959 г. со експериментот на Паунд и Ребка. Но, овие експерименти, користеле субатомски честички, и затоа биле помалку директни од типот на мерењата со вистински часовници како што првично биле предвидени од Ајнштајн.

Хафеле, асистент професор по физика во Универзитетот Вашингтон во Сент Луис, подготвувал белешки за предавање по физика кога направил задни пресметки кои покажале дека атомски часовник во авион би требал да има доволна прецизност за да ги открие предвидените релативистички ефекти. Потрошил една година во залудни обиди да добие финансии за таков експеримент, сè додека не бил пријден од Китинг по разговор на темата, астроном во Поморската опсерваторија на САД кој работел со атомски часовници.

Хафеле и Китинг добиле 8000 долари од Канцеларијата за поморски истражувања за еден од најевтините тестови кои некогаш биле спроведени во општата релативност. Од таа количина, 7600 долари биле потрошени на осумте авионски карти околу светот,Martin Gardner, Relativity Simply Explained, Dover, 1997, p. 117 вклучувајќи и две седишта во секој авион за "Г-динот Часовник." Летале источно околу целиот свет, ги држеле часовниците заедно цела седмица, и потоа полетале западно. Екипажот на секој лет помогнал со обезбедување на навигациски податоци потребни за споредба со теоријата. Во прилог на научните трудови објавени во Science, исто така имало неколку сметки објавени во популарниот печат и други публикации, вклучувајќи и една со слика која покажувала стјуардеса која си го гледа часовникот и стои позади инструментите.

Повторувања
Покомплексен и прецизен експеримент од ваков вид бил изведен од истражувачка група во Универзитетот во Мериленд помеѓу Септември 1975 и Јануари 1976. Три атомски часовници биле доведени до надморска височина од 10км над Кесапик Беј во Мериленд,и три други атомски часовници биле на површината. Користеле турбопроп авион, кој летал со брзина 500 км/ч, со цел да се минимизира ефектот на брзината. Авионот постојано бил набљудуван користејќи радар, и неговата позиција и брзина биле мерени секоја секунда. Биле спроведени пет летови, и секој траел по 15 часови. Специјални контејнери биле поставени за да ги штитат часовниците од надворешни влијанија како што се вибрации, магнетни полиња, или промени во температурата. Временската разлика била мерена со директна споредба на часовниците на земјата пред и по летот, како и за време на летот со помош на ласерски импулси со времетраење од 0,1 ns. Сигналите биле испраќани до авионот,каде што биле рефлектирани и повторно вратени во Земјината станица. Временската разлика била видлива за време на летот, пред подоцна анализа. Била измерена вкупна разлика од 47.1 ns, која се состоела од ефект на брзина од -5.7 ns и гравитациски ефект од 52.8 ns. Ова се согласувало со релативистичките предвидувања со прецизност од околу 1,6%.

Оригиналниот експеримент повторно бил извршен од страна на Националната физичка лабораторија во 1996 на 25-годишнина од оригиналниот експеримент, користејќи попрецизни атомски часовници за време на лет од Лондон до Вашингтон и назад. Резултатите биле потврдени со повисок степен на точност. Забележан бил пораст на време од , во споредба со релативистичко предвидување од 39.8 ns.NPL Metromnia, Issue 18 - Spring 2005 Во јуни 2010 година, Националната физичка лабораторија повторно го извршила експериментот, овојпат низ целиот свет (Лондон - Окленд - Хонгконг - Лондон). Предвидената вредност била , а измерената вредност била .NPL news, Time flies, 1 Feb. 2011

Бидејќи Хафеле-Китинговиот експеримент бил репродуциран со сè повеќе точни методи, имало консензус меѓу физичарите уште од 1970-тите дека релативистичките предвидувања на гравитациските и кинематичките ефекти за времето биле убедливо потврдени.Wolfgang Rindler, Essential Relativity: Special, General, and Cosmological, Springer-Verlag, 1979, p. 45 Критиките на експериментот не се обратиле кон подоцнежната верификација на резултатот со попрецизни методи и покажале дека грешат.Roberts and Schleif, What is the experimental basis of Special Relativity?

 Слични експерименти со атомски часовници
Биле изведени мерења ,од страна на Иџима ет ал., помеѓу 1975 и 1977 година во кои гравитацијата била единствен ефект. Тие носеле комерцијален цезиумски часовник од Националната астрономска опсерваторија на Јапонија во Митака, на надморска височина од , до  Норикура короната станица, на надморска височина од  и назад, што одговарала на висинската разлика од .Додека часовникот престојувал во Митака, тој бил споредуван со друг цезиумски часовник. Измерената промена на стапката била (29±1.5)×10−14, во согласност со резултатот од 30.7×10−14  предвиден од општата релативност.

Во 1976, Бриаторе и Лешиута ги споредиле стапките на два цезиумски часовници, еден во Торино со  надморска височина, и другиот во Плато Роса со  надморска височина. Споредбата била спроведена со евалуација на времето на пристигнување на VHF пулсеви за синхронизирање на телевизија и на синџир LORAN - C. Предвидената разлика била 30.6 ns/d. Користејќи два различни оперативни критериуми, откриле разлики од 33,8±6,8 ns/d и 36,5±5,8 ns/d, соодветно во согласност со општата релативност. Факторите на животната средина биле многу попрецизно контролирани отколку во експериментот Иџима, во кој морало да се применат многу комплицирани исправки.

Во 2005 година, ван Баак ја измерил гравитациската временска дилатација на еден викенд на врвот на Рајниер користејќи две ансамбли од три HP 5071A цезиумови светла.  Го повторил експериментот во 2016 на планината Лимон за телевизиската емисисја Genius by Stephen Hawking.

Во 2010,Чоу  ет ал  извел тестови во кои биле измерени ефектите на гравитацијата и брзината со брзини и гравитациски потенцијали многу помали од оние што биле користени во експериментите на планинските долини од 1970-тите. Било можно да се потврди дилатација на брзината на ниво 10−16 при брзини под 36 км/ч. Исто така, гравитациската временска дилатација била измерена од разликата во височините помеѓу два часовници на само .Nontechnical explanation at http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=time-dilation

Денес ефектите на гравитацијата и брзината се, на пример, рутински вградувани во пресметките што се користат за Глобалниот систем за позиционирање(GPS).Deines, "Uncompensated relativity effects for a ground-based GPSA receiver", Position Location and Navigation Symposium, 1992. Record. '500 Years After Columbus - Navigation Challenges of Tomorrow'. IEEE PLANS '92.

 Поврзано 
 Тестови за опшата релативност
 Парадокс на близнаци
 Временска дилатација

 Наводи 

 Надворешни врски 

Категорија:Тестови за општата теорија за релативноста
Категорија:Тестови за специјалната теорија за релативноста
Категорија:Алберт Ајнштајн
Категорија:Науката во 1971 година