시간 연장에 대한 실험 테스트

Experimental testing of time dilation
속도와 로렌츠 계수 δ(따라서 움직이는 클럭의 시간 확장) 사이의 관계.

특수상대성이론에 의해 예측된 시간적 팽창은 종종 입자 수명 실험을 통해 검증된다.특수상대성이론에 따르면 실험실 관찰자가 볼 때 동기화된 2개의 실험실 클럭 A, B 사이를 이동하는 클럭 C의 속도는 실험실 클럭 레이트에 비해 느려진다.어떤 주기적인 과정도 시계로 간주될 수 있기 때문에 뮤온과 같은 불안정한 입자의 수명에도 영향을 미쳐 움직이는 뮤온이 휴식에 비해 더 긴 수명을 가져야 합니다.이 효과를 확인하는 다양한 실험이 대기 및 입자 가속기 모두에서 수행되었습니다.또 다른 유형의 시간 연장 실험은 상대론적 도플러 효과를 측정하는 이브-스틸웰 실험 그룹이다.

대기 시험

민코프스키 도표
a) S로 표시
b) S로 표시
c) Loedel 다이어그램 (차이를 작게 하기 위해 0.995c가 아닌 0.7c를 사용)

이론.

뮤온의 출현은 우주선이 상층 대기와 충돌하여 발생하며, 그 후 뮤온이 지구에 도달한다.뮤온이 지구에 도달할 확률은 그들의 반감기에 따라 달라지는데, 그 자체는 두 가지 양의 상대론적 보정에 의해 수정된다: a) 뮤온의 평균 수명과 b) 상층 대기와 하층 대기 사이의 길이.이를 통해 관성 프레임 S의 정지된 대기에 길이 축소를 직접 적용하고 [1][2]SΩ의 정지된 뮤온에 시간 확장을 적용할 수 있다.

시간 연장 및 길이 수축

대기 길이:수축식은 L /{\({0}/\로 나타내며, 여기서0 L은 대기의 적정 길이, L은 수축 길이이다.대기가 S에 정지되어 있기 때문에 ==1이 되어 적정0 길이 L이 측정된다.S ,로 동작하고 있기 때문에, > 1이 되어, 그 수축 길이 L is가 측정됩니다.

뮤온의 붕괴 시간:시간확장식은 T \ T= \ \이며, 여기서0 T는 뮤온과 결합하는 클럭의 적정시간으로, 적절한 프레임에 있는 뮤온의 평균 붕괴시간에 대응한다.뮤온이 SΩ에 정지하고 있기 때문에 =1이 되어 적정시간 0Tθ가 측정된다.S로 이동하기 때문에 θ>1이므로 시간 T에 비해 적정 시간이 짧다(비교적으로 지구상에 정지해 있는 뮤온이라고 하는 또 다른 뮤온을 생각할 수 있다).따라서 S에서의 붕괴시간은 muon-S,보다 짧고 S.))의 붕괴시간은 길다.

  • S에서는 muon-S'가 muon-S'보다 붕괴시간이 길다.따라서 뮤온-S'는 지구에 도달하기 위해 적절한 대기 길이를 통과할 수 있는 충분한 시간을 가지고 있다.
  • S'에서는 muon-S가 muon-S'보다 붕괴시간이 길다.그러나 적절한 길이에 따라 대기가 수축되어 있기 때문에 문제 없습니다.따라서 muon-SΩ의 빠른 붕괴 시간조차도 움직이는 대기를 통과하여 지구에 도달하기에 충분하다.
민코프스키 도표

뮤온은 방사선과 상층 대기의 충돌에 의해 원점(A)에서 나타난다.뮤온은 S,에 있기 때문에 세계선은 ct-축입니다.상층 대기는 S에 있기 때문에 세계선은 ct축입니다.x축과 x축에서는 각각 S축과 S축에서 A와 동시에 발생하는 모든 이벤트가 존재합니다.뮤온과 지구는 D에서 만난다.지구가 S에 정지해 있기 때문에, 지구의 세계선(하층 대기와 동일)은 xθ와 x의 축과 교차할 때까지 ct축과 평행하게 그려진다.

시간: 단일 클럭의 세계선에 존재하는 두 사건 사이의 간격을 특수 상대성 이론의 중요한 불변량인 적절한 시간이라고 합니다.A에서의 뮤온의 원점과 D에서의 지구와의 만남이 muon의 세계선상에 있기 때문에 muon과 결합해 Sθ로 정지하는 클럭만이 적정시간 Tθ=0AD를 나타낼 수 있다.그 불변성에 의해, 또한 S에서는, 이 클럭이 이벤트간의 시간을 정확하게 나타내고 있는 것에 동의하고, 여기서 움직이고 있기 때문에, T it=0AD는 S에 있는 클럭이 나타내는 시간 T보다 짧다.이는 더 긴 간격 T=BD=에서 확인할 수 있습니다.CT 축에 평행한 AE.

길이: 지구의 세계선이 x축과 교차하는 이벤트 B는 뮤온의 출현과 동시에 지구의 위치에 대응합니다.지구의 세계선이 x축과 교차하는 C는 뮤온의 출현과 동시에 지구의 위치에 해당한다.S의 길이0 L=AB는 S의 길이 Lθ=AC보다 길다.

실험

프리쉬-스미스 실험 결과은{\ 에 대해 됩니다.

시간적 확장이 존재하지 않는 경우, 이러한 뮤온은 대기권 상부에서 붕괴해야 하지만, 시간적 확장의 결과로 훨씬 낮은 높이에서도 상당히 많이 존재한다.이러한 양의 비교를 통해 뮤온의 반감기뿐만 아니라 평균 수명을 결정할 수 있습니다. N은 대기 상층부에서 된 뮤온 수,M(은 뮤온 수,(\ Z는 뮤온들이 이들 지역 간의 거리를 이동하는 지구의 나머지 프레임 내 이동 시간, })은 뮤온 수명의 평균 고유 수명입니다.ns:[3]

로시-홀 실험

1940년 콜로라도의 에코 호수(3240m)와 덴버(1616m)에서 브루노 로시와 D. B. 홀은 뮤온의 상대론적 붕괴를 측정했다.그들은 0.99 c(c는 빛의 속도) 이상으로 이동하는 대기 중의 뮤온은 빛의 속도이다.Rossi와 Hall은 상대론적 운동량과 시간 확장에 대한 공식을 질적인 방식으로 확인했다.움직이는 뮤온의 운동량과 수명을 알고 있으면 평균 적정 수명도 계산할 수 있었다. 즉, obtained 2.4 μs([4][5][6][7]현대 실험에서는 이 결과가 2 2.2 μs로 개선되었다.)

프리쉬-스미스 실험

이런 종류의 훨씬 더 정확한 실험은 David H에 의해 수행되었다. 프리쉬와 스미스(1962)와 영화로 [8]기록되었다.그들은 해발 1917m의 워싱턴산에서 여섯 번의 주행으로 시간당 약 563 뮤온을 측정했다.운동 에너지를 측정하여 0.995 c와 0.9954 c 사이의 평균 뮤온 속도를 구했다.또 다른 측정은 매사추세츠주 캠브리지에서 해수면에서 이루어졌다.뮤온이 필요로 하는 시간은 1917m에서 0m 사이는 약 6.4μs입니다.평균 수명을 2.2μs로 가정할 때 시간 확장이 없다면 27뮤온만 이 위치에 도달합니다.그러나, 시간당 약 412 뮤온이 캠브리지에 도착했고, 그 결과 8.8±0.8의 시간 연장 계수가 발생했다.

프리쉬와 스미스는 이것이 특수상대성이론의 예측과 일치한다는 것을 보여주었다.0.995 c에서 0.9954 c로 이동하는 워싱턴 산의 뮤온에 대한 시간 확장 계수는 약 10.2입니다.그들의 운동 에너지와 속도는 대기와의 상호작용으로 인해 케임브리지에 도달할 때까지 감소하여 0.9881 c와 0.9897 c로 감소하였고, 팽창 계수는 6.8로 감소하였다.따라서 시작( 10 10.2)과 목표( 6 6.8) 사이에 오차 범위 내에서 측정된 결과와 일치하여 평균 시간 확장 계수가 8.4±2로 결정되었다(위 공식과 붕괴 [9]곡선 계산에 대한 이미지 참조).

기타 실험

그 이후로, 대기 중 뮤온의 평균 수명과 시간 확장에 대한 많은 측정이 학부 [3][10]실험에서 수행되었습니다.

액셀러레이터 및 원자 클럭 테스트

시간 연장 및 CPT 대칭

입자 붕괴의 훨씬 더 정확한 측정은 뮤온과 다른 종류의 입자를 사용하는 입자 가속기에서 이루어졌다.시간확장 확인 외에 정입자와 부입자의 수명을 비교하여 CPT 대칭을 확인하였다.이 대칭을 위해서는 입자와 반입자의 붕괴 속도가 같아야 합니다.CPT 불변성의 위반은 로렌츠 불변성의 위반으로 이어지며, 따라서 특수상대성이론도 위반될 수 있다.

파이온 카온 뮤온
더빈 외 연구진(1952)[11]

Eckhause et al.(1965)[12]

노드버그 외 연구진(1967년)[13]

그린버그 외 연구진(1969)[14]

에어스 외 연구진(1971년)[15]

 굴 등(1959)[16]

노르딘 (1961년)[17]

보야르스키 외 연구진(1962)[18]

로브코비치 외 연구진(1969년)[19]

Ott 외 연구진(1971년)[20]

Skjeggestad et al. (1971년)[21]

게위니거 외 연구진(1974)[22]

Cariters et [23]al.(1975년

 룬디(1962)[24]

마이어 외 연구진(1963)[25]

Eckhause et al.(1963)[26]

발란딘 외 연구진(1974)[27]

오늘날 입자의 시간적 팽창은 상대론적 에너지 및 운동량 테스트와 함께 입자가속기에서 일상적으로 확인되며, 상대론적 속도에서의 입자 실험 분석에서 그 고려는 필수적입니다.

트윈 패러독스와 움직이는 시계

Bailey et al.(1977)는 CERN 뮤온 저장 링의 루프 주위에 보내지는 양 및 음의 뮤온의 수명을 측정했다.이 실험은 시간적 팽창과 쌍둥이 역설, 즉 떠나보내고 초기 위치로 돌아오는 시계가 정지된 [28][29]시계에 대해 느려진다는 가설을 확인시켜 주었다.쌍둥이 역설에 대한 다른 측정치들도 중력 시간 연장을 포함한다.

Hafele-Keating 실험에서는 실제 세슘 빔 원자 시계가 전 세계를 날아다니며 정지된 시계와 비교하여 예상되는 차이를 발견했다.

시계 가설 - 가속 효과가 없음

시계 가설은 가속의 범위가 시간 연장 값에 영향을 미치지 않는다고 말합니다.앞서 언급한 대부분의 실험에서 붕괴 입자는 관성 프레임(즉, 가속되지 않음)에 있었다.그러나 Bailey et al.(1977)에서는 입자가 최대18 10g의 횡가속도를 받았다.결과는 같기 때문에 가속도는 시간 [28]연장에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.또한 Roots 등(1980년)은 0.5 - 5.0 × 1015 g 사이의 세로 방향 가속을 받는 시그마 중입자의 붕괴를 측정했다.다시 말하지만, 통상적인 시간 연장으로부터의 편차는 [30]측정되지 않았다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크