Hughes-Drever-Experiment

Hughes-Drever-Experimente (auch Uhrenvergleichs-, Uhrenanisotropie-, Massenisotropie-, oder Energieisotropie-Experimente) werden zur Überprüfung der Isotropie der Masse bzw. des Raumes eingesetzt. Diese Experimente testen grundlegende Aussagen sowohl der speziellen als auch der allgemeinen Relativitätstheorie. Wie bei den Michelson-Morley-Experimenten kann dadurch das Vorhandensein eines bevorzugten Bezugssystems bzw. Abweichungen von der Lorentzinvarianz überprüft werden, was auch die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips betrifft. Im Gegensatz zu Michelson-Morley beziehen sich Hughes-Drever-Experimente allerdings auf die Isotropie der Wechselwirkungen die Materie selbst, d. h. von Protonen, Neutronen, und Elektronen. Die dabei erzielte Genauigkeit macht diese Art von bis heute durchgeführten Experimenten mit zu den präzisesten Messungen der Relativitätstheorie überhaupt (s. Tests der speziellen Relativitätstheorie).^{[A 1] [A 2] [A 3] [A 4] [A 5] [A 6]}

Erste Experimente

Giuseppe Cocconi und Edwin Salpeter (1958) wiesen darauf hin, dass die Trägheit der Materie von der Verteilung der umliegenden Massen abhängt, wenn das Machsche Prinzip korrekt ist. Dies würde zu einer Anisotropie der Trägheit in verschiedenen Richtungen führen und könnte durch Beobachtung von Zeeman-Effekten in Atomkernen nachgewiesen werden.^[1]

Vernon Hughes et al. (1960) und Drever (1961) führten nun unabhängig voneinander Experimente durch. Dabei wurde der Kern von Lithium-7 herangezogen, dessen Grundzustand einen Spin von ³⁄₂ besitzt, und es werden dadurch in einem Magnetfeld vier magnetische Energieniveaus in Übereinstimmung mit der erlaubten Magnetquantenzahl existieren. Bei Massenisotropie tritt keine Verschiebung der Energieniveaus auf und folglich sollte nur eine einzige Resonanzlinie existieren, bei Anisotropie gibt es eine Triplettresonanzlinie oder eine Verbreiterung. Es wurde tatsächlich keine Frequenzverschiebung der Energieniveaus gefunden, wobei aufgrund der großen Genauigkeit die maximale Anisotropie auf 0,04 Hz = 10⁻²⁵ GeV eingeschränkt werden konnte.^{[2] [3]}

Moderne Interpretation

Während dieses Experiment ursprünglich auf das Machsche Prinzip bezogen wurde, wird es heute auch als wichtige Überprüfung der Lorentzinvarianz und somit der speziellen Relativitätstheorie interpretiert. Denn solche Anisotropieeffekte müssen auch bei Vorhandensein eines bevorzugten Bezugssystems (gewöhnlich das CMB-Ruhesystem als Äther) vorliegen, deshalb können die negativen Ergebnisse des Hughes-Drever-Experiments (wie die Michelson-Morley-Experimente) als Widerlegungen der Existenz eines solchen Systems angesehen werden. Und da es eine Grundaussage des Äquivalenzprinzips der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass lokal in frei fallenden Bezugssystemen die Lorentzinvarianz gültig ist = Lokale Lorentzinvarianz (LLI), betreffen die Ergebnisse dieses Experiments sowohl die spezielle als auch die allgemeine Relativitätstheorie.

Oder wie Clifford Will es sinngemäß ausdrückte: Es geht darum, ob die Grenzgeschwindigkeit der Materie mit der Lichtgeschwindigkeit übereinstimmt wie von der speziellen Relativitätstheorie gefordert. Stimmen sie nicht überein, ändern sich auch die Eigenschaften und Frequenzen der Wechselwirkungen der Materie, was durch die Hughes-Drever-Experimente überprüft werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass hier unterschiedliche Frequenzen verglichen werden, und diese wiederum als Uhren aufgefasst werden können, werden diese Experimente auch als Uhrenvergleichs-Experimente bezeichnet.^{[A 1][A 2][A 3][A 4]}

Moderne Experimente

Neben Verletzungen der Lorentzinvarianz durch das Vorhandensein eines bevorzugten Bezugssystems oder dem Machschen Prinzip, sind im Zuge der Entwicklungen zur Quantengravitation auch mögliche spontane Brechungen der Lorentzinvarianz und damit zusammenhängend des CPT-Theorems in das Blickfeld geraten. Zur Überprüfung aller dieser Effekte werden bis heute immer genauere Variationen der ursprünglichen Experimente durchgeführt. Diese Messungen beziehen sich auf Neutronen und Protonen, und durch den Einsatz von spinpolarisierten Systemen und Komagnetometern (wodurch magnetische Einflüsse unterdrückt werden können) konnte die Genauigkeit erheblich gesteigert werden. Zusätzlich wird unter Zuhilfenahme von spinpolarisierten Torsionswaagen auch der Elektronen-Sektor überprüft.^{[A 5][A 6]}

Alle Ergebnisse waren bislang negativ, sodass weiterhin kein Hinweis auf die Existenz eines bevorzugten Bezugssystems bzw. einer anderweitigen Verletzung der Lorentzinvarianz vorliegt. Die Werte folgender Tabelle beziehen sich auf die Parameter, welche durch die Standardmodellerweiterung (s. Testtheorien der speziellen Relativitätstheorie) vorgegeben wird. Dieses Modell enthält für jede Abweichung von der Lorentzinvarianz diverse Parameter. Da in jedem dieser Experimente eine Reihe von Parametern überprüft wird, wird hier nur der Wert der maximalen Sensitivität wiedergegeben (für die genaue Aufstellung siehe die Einzelartikel):^{[A 3][A 7][A 4]}

Autor	Jahr	max. Anisotropie in GeV
		Proton	Neutron	Elektron
Prestage et al.[4]	1985		10−27
Phillips[5]	1987			10−27
Lamoreaux et al.[6]	1989		10−29
Chupp et al.[7]	1989		10−27
Wineland et al.[8]	1991			10−25
Wang et al.[9]	1993			10−27
Berglund et al.[10]	1995	10−27	10−30	10−27
Bear et al.[11]	2000		10−31
Walsworth et al.[12]	2000	10−27	10−31
Phillips et al.[13]	2000	10−27
Humphrey et al.[14]	2003	10−27		10−27
Hou et al.[15]	2003			10−29
Canè et al.[16]	2004		10−32
Wolf et al.[17]	2006	10−25
Heckel et al.[18]	2006			10−30
Heckel et al.[19]	2008			10−31
Altarev et al.[20]	2009		10−20
Brown et al.[21]	2010	10−32	10−33
Gemmel et al.[22]	2010		10−32

Einzelnachweise

Übersichtsliteratur:

1. ↑ ^{a b} Will, C. M.: The Confrontation between General Relativity and Experiment. In: Living Reviews in Relativity. 9, Nr. 3, 2006. Abgerufen am 23. Juni 2011.
2. ↑ ^{a b} Will, C. M.: Stable clocks and general relativity. In: Proceedings of the 30th Rencontres de Moriond. 1995, S. 417. arXiv:gr-qc/9504017.
3. ↑ ^{a b c} Kostelecký, V. Alan; Lane, Charles D.: Constraints on Lorentz violation from clock-comparison experiments. In: Physical Review D. 60, Nr. 11, 1999, S. 116010. doi:10.1103/PhysRevD.60.116010. arXiv:hep-ph/9908504.
4. ↑ ^{a b c} Mattingly, David: Modern Tests of Lorentz Invariance. In: Living Rev. Relativity. 8, Nr. 5, 2005.
5. ↑ ^{a b} Pospelov, Maxim; Romalis, Michael: Lorentz Invariance on Trial. In: Physics Today. 57, Nr. 7, 2004, S. 40-46. doi:10.1063/1.1784301.
6. ↑ ^{a b} Walsworth, R.L.: Tests of Lorentz Symmetry in the Spin-Coupling Sector. In: Lecture Notes in Physics. 702, 2006, S. 493-505. doi:10.1007/3-540-34523-X_18.
7. ↑ Hou, Li-Shing; Ni, Wei-Tou; Li, Yu-Chu M.: Test of Cosmic Spatial Isotropy for Polarized Electrons Using a Rotatable Torsion Balance. In: Physical Review Letters. 90, Nr. 20, 2003, S. 201101. doi:10.1103/PhysRevLett.90.201101. arXiv:physics/0009012.

Quellen für Werteanagaben:

1. ↑ Cocconi, G.; Salpeter E.: A search for anisotropy of inertia. In: Il Nuovo Cimento. 10, Nr. 4, 1958, S. 646-651. doi:10.1007/BF02859800.
2. ↑ Hughes, V. W.; Robinson, H. G.; Beltran-Lopez, V.: Upper Limit for the Anisotropy of Inertial Mass from Nuclear Resonance Experiments. In: Physical Review Letters. 4, Nr. 7, 1960, S. 342-344. doi:10.1103/PhysRevLett.4.342.
3. ↑ Drever, R. W. P.: A search for anisotropy of inertial mass using a free precession technique. In: Philosophical Magazine. 6, Nr. 65, 1961, S. 683–687. doi:10.1080/14786436108244418.
4. ↑ Prestage, J. D.; Bollinger, J. J.; Itano, W. M.; Wineland, D. J.: Limits for spatial anisotropy by use of nuclear-spin-polarized Be-9(+) ions. In: Physical Review Letters. 54, 1985, S. 2387-2390. doi:10.1103/PhysRevLett.54.2387.
5. ↑ Phillips, P. R.: Test of spatial isotropy using a cryogenic torsion pendulum. In: Physical Review Letter. 59, Nr. 5, 1987, S. 1784-1787. doi:10.1103/PhysRevLett.59.1784.
6. ↑ Lamoreaux, S. K.; Jacobs, J. P.; Heckel, B. R.; Raab, F. J.; Fortson, E. N.: Optical pumping technique for measuring small nuclear quadrupole shifts in 1S(0) atoms and testing spatial isotropy. In: Physical Review A. 39, 1989, S. 1082-1111. doi:10.1103/PhysRevA.39.1082.
7. ↑ Chupp, T. E.; Hoare, R. J.; Loveman, R. A.; Oteiza, E. R.; Richardson, J. M.; Wagshul, M. E.; Thompson, A. K.: Results of a new test of local Lorentz invariance: A search for mass anisotropy in 21Ne. In: Physical Review Letters. 63, Nr. 15, 1989, S. 1541-1545. doi:10.1103/PhysRevLett.63.1541.
8. ↑ Wineland, D. J.; Bollinger, J. J.; Heinzen, D. J.; Itano, W. M.; Raizen, M. G.: Search for anomalous spin-dependent forces using stored-ion spectroscopy. In: Physical Review Letters. 67, Nr. 13, 1991, S. 1735-1738. doi:10.1103/PhysRevLett.67.1735.
9. ↑ Wang, Shih-Liang; Ni, Wei-Tou; Pan, Sheau-Shi: New Experimental Limit on the Spatial Anisotropy for Polarized Electrons. In: Modern Physics Letters A. 8, Nr. 39, 1993, S. 3715-3725. doi:10.1142/S0217732393003445.
10. ↑ Berglund, C. J.; Hunter, L. R.; Krause, D., Jr.; Prigge, E. O.; Ronfeldt, M. S.; Lamoreaux, S. K.: New Limits on Local Lorentz Invariance from Hg and Cs Magnetometers. In: Physical Review Letters. 75, Nr. 10, 1995, S. 1879-1882. doi:10.1103/PhysRevLett.75.1879.
11. ↑ Bear, D.; Stoner, R. E.; Walsworth, R. L.; Kostelecký, V. Alan; Lane, Charles D.: Limit on Lorentz and CPT Violation of the Neutron Using a Two-Species Noble-Gas Maser. In: Physical Review Letters. 85, Nr. 24, 2000, S. 5038-5041. doi:10.1103/PhysRevLett.85.5038. arXiv:physics/0007049.
12. ↑ Walsworth, R. L.; Bear, D.; Humphrey, M.; Mattison, E. M.; Phillips, D. F.; Stoner, R. E.; Vessot, R. F. C.: New clock comparison searches for Lorentz and CPT violation. In: AIP Conference Proceedings. 539, 2000, S. 119-129. doi:10.1063/1.1330910. arXiv:physics/0007063.
13. ↑ Phillips, D. F.; Humphrey, M. A.; Mattison, E. M.; Stoner, R. E.; Vessot, R. F.; Walsworth, R. L.: Limit on Lorentz and CPT violation of the proton using a hydrogen maser. In: Physical Review D. 63, Nr. 11, 2000, S. 111101. doi:10.1103/PhysRevD.63.111101. arXiv:physics/0008230.
14. ↑ Humphrey, M. A.; Phillips, D. F.; Mattison, E. M.; Vessot, R. F.; Stoner, R. E.; Walsworth, R. L.: Testing CPT and Lorentz symmetry with hydrogen masers. In: Physical Review A. 68, Nr. 6, 2003, S. 063807. doi:10.1103/PhysRevA.68.063807. arXiv:physics/0103068.
15. ↑ Hou, Li-Shing; Ni, Wei-Tou; Li, Yu-Chu M.: Test of Cosmic Spatial Isotropy for Polarized Electrons Using a Rotatable Torsion Balance. In: Physical Review Letters. 90, Nr. 20, 2003, S. 201101. doi:10.1103/PhysRevLett.90.201101. arXiv:physics/0009012.
16. ↑ Canè, F.; Bear, D.; Phillips, D. F.; Rosen, M. S.; Smallwood, C. L.; Stoner, R. E.; Walsworth, R. L.; Kostelecký, V. Alan: Bound on Lorentz and CPT Violating Boost Effects for the Neutron. In: Physical Review Letters. 93, Nr. 23, 2004, S. 230801. doi:10.1103/PhysRevLett.93.230801. arXiv:physics/0309070.
17. ↑ Wolf, P.; Chapelet, F.; Bize, S.; Clairon, A.: Cold Atom Clock Test of Lorentz Invariance in the Matter Sector. In: Physical Review Letters. 96, Nr. 6, 2006, S. 060801. doi:10.1103/PhysRevLett.96.060801. arXiv:hep-ph/0601024.
18. ↑ Heckel, B. R.; Cramer, C. E.; Cook, T. S.; Adelberger, E. G.; Schlamminger, S.; Schmidt, U.: New CP-Violation and Preferred-Frame Tests with Polarized Electrons. In: Physical Review Letters. 97, Nr. 2, 2006, S. 021603. doi:10.1103/PhysRevLett.97.021603. arXiv:hep-ph/0606218.
19. ↑ Heckel, B. R.; Adelberger, E. G.; Cramer, C. E.; Cook, T. S.; Schlamminger, S.; Schmidt, U.: Preferred-frame and CP-violation tests with polarized electrons. In: Physical Review D. 78, Nr. 9, 2008, S. 092006. doi:10.1103/PhysRevD.78.092006. arXiv:0808.2673.
20. ↑ Altarev, I. et al.: Test of Lorentz Invariance with Spin Precession of Ultracold Neutrons. In: Physical Review Letters. 103, Nr. 8, 2009, S. 081602. doi:10.1103/PhysRevLett.103.081602. arXiv:0905.3221.
21. ↑ Brown, J. M.; Smullin, S. J.; Kornack, T. W.; Romalis, M. V.: New Limit on Lorentz- and CPT-Violating Neutron Spin Interactions. In: Physical Review Letters. 105, Nr. 15, 2010, S. 151604. doi:10.1103/PhysRevLett.105.151604. arXiv:1006.5425.
22. ↑ Gemmel, C.; Heil, W.; Karpuk, S.; Lenz, K.; Sobolev, Yu.; Tullney, K.; Burghoff, M.; Kilian, W.; Knappe-Grüneberg, S.; Müller, W.; Schnabel, A.; Seifert, F.; Trahms, L.; Schmidt, U.: Limit on Lorentz and CPT violation of the bound neutron using a free precession He3/Xe129 comagnetometer. In: Physical Review D. 82, Nr. 11, 2010, S. 111901. doi:10.1103/PhysRevD.82.111901. arXiv:1011.2143.

Weblinks

• T. Roberts, S. Schleif: What is the experimental basis of Special Relativity? In: Relativity FAQ. 2007.

Tests der speziellen Relativitätstheorie

Isotropie von c: Michelson-Morley-Experiment | Kennedy-Thorndike-Experiment | Mößbauer-Rotor-Experiment | Resonator-Experimente

Lorentzinvarianz: Hughes-Drever-Experiment | Moderne Tests der Lorentzinvarianz |Trouton-Noble-Experiment | Experimente von Rayleigh und Brace | Trouton-Rankine-Experiment |

Zeitdilatation: Ives-Stilwell-Experiment | Mößbauer-Rotor-Experiment | Zeitdilatation bewegter Teilchen

Sagnac/Fizeau: Sagnac-Experiment | Fizeau-Experiment

Relativistische Energie: Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente | Teilchenbeschleuniger

Alternativen: Widerlegungen der Äthertheorie | Widerlegungen der Emissionstheorie

Allgemein: Testtheorien | Standardmodellerweiterung | Einweg-Lichtgeschwindigkeit