하펠레 키팅 실험

Hafele–Keating experiment
하펠레와 키팅은 두개의 원자시계를 가지고 상업 여객기를 탔습니다.
Hafele-Keating 실험에 사용된 실제 HP 5061A Caesium Beam 원자 시계 장치 중 하나

하펠-키팅 실험은 상대성 이론의 시험이었습니다. 1971년 조셉 C.[1] 물리학자인 Hafele와 천문학자인 Richard E. Keating은 상업용 비행기에 4개의 세슘 빔 원자 시계를 가져갔습니다. 그들은 처음에는 동쪽으로, 그 다음에는 서쪽으로 두 번 전세계를 날았고, 미국 해군 천문대에 남아있는 다른 것들과 시계를 비교했습니다. 다시 결합했을 때, 세 세트의 시계들은 서로 불일치하는 것으로 밝혀졌고, 그들의 차이는 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론의 예측과 일치했습니다.

개요

운동학적 시간 팽창

특수 상대성 이론에 따르면, 시계와 관련하여 정지해 있는 관찰자에 따르면 시계의 속도가 가장 큽니다. 시계가 정지하지 않은 기준 프레임에서는 로렌츠 계수로 표현되는 것처럼 시계가 더 느리게 실행됩니다. 시간 확장이라고 불리는 이 효과는 Ives-Stilwell 실험과 다른 것들과 같은 특수 상대성 이론의 많은 실험에서 확인되었습니다.[2] 지구의 중심에 대해 정지한 기준틀에서의 하펠-키팅 실험을 고려할 때(이것은 관성틀이기[3] 때문에), 지구가 회전하는 방향으로 동쪽으로 이동하는 비행기의 시계는 지상에 남아있는 시계보다 더 큰 속도(상대적인 시간 손실을 초래함)를 가지고 있었습니다. 지구의 자전과 반대로 서쪽으로 이동하는 비행기의 시계는 지상의 시계보다 더 낮은 속도를 가지고 있었습니다.[4]

중력 시간 팽창

주 기사: 중력 시간 확장

일반 상대성 이론은 고도에 따른 중력 퍼텐셜의 증가로 시계가 빨라지는 추가적인 효과를 예측합니다. 즉, 지구 표면의 시계보다 더 높은 고도의 시계들이 더 빨리 티킹을 합니다. 이 효과는 파운드-레브카 실험과 중력 탐사선 A와 같은 일반 상대성 이론의 많은 실험에서 확인되었습니다. Hafele-Keating 실험에서, 시계의 속도를 다시 올리는 경향이 있는 고도로 인해 중력 퍼텐셜이 약간 증가했습니다. 비행기가 거의 같은 고도를 양방향으로 비행했기 때문에 이 효과는 두 비행기에 대해서는 거의 동일했지만 지상의 시계와 비교했을 때는 차이가 있었습니다.[4]

결과.

결과는 1972년 사이언스지에 발표되었습니다.[5][6]

나노초의 증가, 예측 나노초
얻었다,
측정했다. 		차이
중력의

(일반 상대성 이론)

운동학의

(특수 상대성 이론)

총
동쪽으로 +144 ±14 −184 ±18 −40 ±23 −59 ±10 0.76
서쪽으로 +179 ±18 +96 ±10 +275 ±21 +273 ±7 0.09

발표된 실험 결과는 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론 모두 일치했습니다. 관찰된 시간 득실은 실험에서 예상되는 ~10% 정밀도 이내의 상대론적 예측과 일치했습니다.[7]

역사적, 과학적 배경

특수 상대성 이론에 대한 그의 최초의 1905년 논문에서 [8]알버트 아인슈타인은 이 이론의 가능한 시험을 제안했습니다: "따라서 우리는 적도에서의 봄 시계가 극 중 하나에 위치한 정확히 비슷한 시계보다 매우 적은 양만큼 더 느리게 가야 한다는 결론을 내렸습니다." 실제로 현재는 지구 표면의 해수면에 위치한 모든 시계가 위도에 관계없이 같은 속도로 똑딱거리는 것으로 알려져 있는데, 이는 운동학적, 중력적 시간 팽창 효과가 상쇄되기 때문입니다(지구 표면이 등퍼텐셜이라고 가정할 때).[9][10] 운동학적 효과는 1938년 Ives-Stilwell 실험과 1940년 Rossi-Hall 실험에서 검증되었습니다. 중력 효과에 대한 일반 상대성 이론의 예측은 1959년에 파운드와 렙카에 의해 확인되었습니다. 그러나 이 실험들은 아원자 입자들을 사용했기 때문에 아인슈타인이 원래 구상했던 것처럼 실제 시계로 측정하는 유형보다 직접적이지는 않았습니다.[citation needed]

세인트 워싱턴 대학교 물리학과 조교수인 하펠레. 루이스는 물리학 강의를 위해 노트를 준비하던 중 상업 여객기에 탑승한 원자시계가 예측된 상대론적 효과를 감지하기에 충분한 정밀도를 가져야 한다는 것을 보여주는 뒷면 계산을 했습니다.[11] 그는 원자시계를 연구한 미국 해군 천문대의 천문학자 키팅으로부터 이 주제에 대한 강연을 들은 후 접근하기 전까지 그러한 실험을 위한 자금을 마련하기 위한 노력에 실패한 채 1년을 보냈습니다.[11]

Hafele과 Keating은 해군 연구소로부터[12] 일반 상대성 이론에 대한 가장 저렴한 실험 중 하나로 8,000달러의 자금을 받았습니다. 이 금액 중 7600달러는 '미스터 클락'의 각 비행기 좌석 2개를 [13]포함한 8개의 세계 일주 비행기 티켓을 구입하는데 사용되었습니다. 그들은 전세계를 동쪽으로 날았고, 일주일 동안 시계를 나란히 돌았고, 그 후 서쪽으로 날았습니다. 각 비행의 승무원들은 이론과의 비교에 필요한 항해 자료를 제공하는 것을 도왔습니다. 사이언스에 발표된 과학 논문 [5][6]외에도 대중 언론과 다른 출판물에 발표된 여러 기사가 있었습니다.[11][14][15]

반복

1975년 9월부터 1976년 1월 사이에 메릴랜드 대학의 한 연구 그룹에 의해 더 복잡하고 정밀한 실험이 수행되었습니다. 세 개의 원자시계가 메릴랜드 주 체서피크 만 상공 10km 지점까지 도달했고, 다른 세 개의 원자시계가 지상에 있었습니다. 속도 효과를 최소화하기 위해 터보프롭 비행기를 사용하여 시속 500km로 비행했습니다. 레이더를 이용해 비행기를 꾸준히 관측했고, 1초마다 비행기의 위치와 속도를 측정했습니다. 각각 15시간 동안 5번의 비행이 수행되었습니다. 특수 용기는 진동, 자기장 또는 온도 변화와 같은 외부 영향으로부터 시계를 보호합니다. 시간 차이는 비행 전과 비행 후, 그리고 비행 중에 0.1ns 지속 시간의 레이저 펄스에 의해 지면에서 직접적인 시계 비교에 의해 측정되었습니다. 그 신호들은 비행기로 보내졌고, 반사되었고, 지상국에서 다시 수신되었습니다. 시차는 비행 중에 관찰할 수 있었고, 나중에 분석하기 전에 관찰할 수 있었습니다. -5.7ns의 속도 효과와 52.8ns의 중력 효과로 구성된 47.1ns의 전체 차이가 측정되었습니다. 이는 약 1.6%[16][17]의 정밀도로 상대론적 예측과 일치합니다.

국립물리연구소의 원래 실험 재현은 1996년, 원래 실험 25주년에 이루어졌는데, 런던에서 워싱턴 D.C.로 왕복하는 비행 동안 보다 정밀한 원자시계를 사용했습니다. 결과는 더 높은 정확도로 검증되었습니다. 상대론적 예측치 39.8ns에 비해 39±2ns의 시간 이득이 관찰되었습니다.[18] 2010년 6월, 국립 물리 연구소는 이번에는 전 세계적으로 실험을 다시 한번 반복했습니다 (런던 - 로스앤젤레스 - 오클랜드 - 홍콩 - 런던). 예측값은 246±3ns, 측정값 230±20ns였습니다.[19]

하펠레-키팅 실험이 점점 더 정확한 방법으로 재현되었기 때문에, 적어도 1970년대부터 물리학자들 사이에서 중력과 운동학적 효과에 대한 상대론적 예측이 시간에 대한 결정적으로 검증되었다는 데 의견이 일치했습니다.[20] 실험에 대한 비판은 더 정확한 방법에 의한 결과의 후속 검증을 다루지 못했고, 오류가 있는 것으로 나타났습니다.[21]

원자시계를 이용한 유사한 실험

중력이 유일한 효과였던 측정은 1975년과 1977년 사이에 이지마 등에 의해 수행되었습니다. 그들은 상업용 세슘 시계를 해발 58 m(190 ft)의 미타카에 있는 일본 국립천문대에서 해발 2,876 m(9,436 ft)의 노리쿠라 코로나 스테이션까지 왕복으로 운반했습니다. 시계가 미타카에 머물던 시기에는 다른 세슘 시계와 비교되었습니다. 측정된 비율의 변화는 (29±1.5)×10으로−14 일반 상대성 이론이 예측한 30.7×10의−14 결과와 일치했습니다.[22]

1976년에 브리아토레와 레치우타는 해발 250m의 토리노와 해발 3,500m의 고원 로사에 있는 두 개의 세슘 시계의 속도를 비교했습니다. 비교는 VHF 텔레비전 동기 펄스와 LORAN-C 체인의 도달 시간을 평가하여 수행되었습니다. 예측된 차이는 30.6ns/d였습니다. 두 가지 다른 작동 기준을 사용하여 일반 상대성 이론과 일치하는 각각 33.8±6.8ns/d와 36.5±5.8ns/d의 차이를 발견했습니다.[23] 많은 복잡한 수정을 가해야 했던 이지마 실험보다 환경적 요인이 훨씬 정밀하게 제어되었습니다.[citation needed]

2005년 반 바크는 레이니어 산의 5400' ASL에서 HP 5071A 세슘 빔 시계 두 개의 앙상블을 사용하여 주말의 중력 시간 확장을 측정했습니다.[24][25][26] 그는 2016년 텔레비전 쇼인 스티븐 호킹의 지니어스를 위해 레몬 산에서 이 실험을 반복했습니다.[27]

2010년, Chou et al. 에서는 1970년대의 산악-계곡 실험에서 사용된 것보다 훨씬 작은 속도와 중력 퍼텐셜에서 중력과 속도 효과가 모두 측정되는 테스트를 수행했습니다. 36 km/h 이하의 속도에서 10−16 수준의 속도 시간 확장을 확인할 수 있었습니다. 또한, 중력 시간 팽창은 33 cm(13 in)에 불과한 두 시계 사이의 고도 차이로부터 측정되었습니다.[28][29]

현재 중력 효과와 속도 효과는 예를 들어 지구 위치 시스템에 사용되는 계산에 일상적으로 통합됩니다.[30]

참고 항목

참고문헌

  1. ^ 비행은 10월 7일에 완료되었습니다."They beat the clock checking on Einstein". New York Times. October 8, 1971. Retrieved 2020-05-03.)
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  3. ^ Rizzi, Guido; Ruggiero, Matteo Luca (2003). Relativity in Rotating Frames: Relativistic Physics in Rotating Reference Frames (illustrated ed.). Springer Science & Business Media. p. 25. ISBN 978-1-4020-1805-3. 25페이지 발췌
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  6. ^ a b Hafele, J. C.; Keating, R. E. (July 14, 1972). "Around-the-World Atomic Clocks: Observed Relativistic Time Gains" (PDF). Science. 177 (4044): 168–170. Bibcode:1972Sci...177..168H. doi:10.1126/science.177.4044.168. PMID 17779918. S2CID 37376002. Archived from the original (PDF) on March 31, 2017. Retrieved March 30, 2017.
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