„Ives-Stilwell-Experiment“ – Versionsunterschied
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Das '''Ives-Stilwell-Experiment''' war das erste Experiment, mit dem der [[Dopplereffekt|transversale Dopplereffekt]] und somit die aus der [[spezielle Relativitätstheorie|speziellen Relativitätstheorie]] folgende [[Zeitdilatation]] direkt nachgewiesen werden konnte. Zusammen mit dem [[Michelson-Morley-Experiment]] und dem [[Kennedy-Thorndike-Experiment]] ist es eines der grundlegenden Experimente der speziellen Relativitätstheorie, aus denen die gesamte Theorie hergeleitet werden kann.<ref>{{cite journal |author=Robertson, H. P.|year=1949|title=Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity |journal=Reviews of Modern Physics |volume=21 |issue=3 |pages=378-382 |doi=10.1103/RevModPhys.21.378}}</ref> |
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The '''Ives–Stilwell experiment''' exploits the [[Transverse Doppler effect]] (TDE) described by [[Albert Einstein]] in his seminal 1905 paper.<ref>{{cite journal |last=Einstein |first=Albert |authorlink= |coauthors= |year=1905 |month= |title={{lang|de|Zur Elektrodynamik bewegter Körper}} |journal={{lang|de|Annalen der Physik}} |volume=322 |issue=10 |pages=891–921 |doi=10.1002/andp.19053221004 |url= |accessdate= |quote= |bibcode = 1905AnP...322..891E }} [http://www.fourmilab.ch/etexts/einstein/specrel/www/ English translation: ‘On the Electrodynamics of Moving Bodies’]</ref> |
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==Geschichte== |
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Einstein subsequently suggested an experiment based on the measurement of the relative frequencies of light perceived as arriving from a light source in motion with respect to the observer. |
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[[Joseph Larmor]] (1900) und [[Hendrik Antoon Lorentz]] (1904) stellten die [[Lorentz-Transformation]] auf, um die Unentdeckbarkeit eines ruhenden [[Äther (Physik)|Äthers]] zu erklären. Dabei bemerkte Larmor, dass die veränderte Zeitkoordinate so verstanden werden kann, dass Prozesse bei bewegten Objekten im Äther langsamer ablaufen. [[Albert Einstein]] (1905) konnte zeigen, dass dieser Effekt eine notwendige Konsequenz der aus dem [[Relativitätsprinzip]] und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit gefolgerten Relativität der Zeit ist, und nichts mit einem Äther zu tun hat. Die Zeitdilatation führt nach Einstein zu einer Modifikation des longitudinalen Dopplereffekts, wobei zusätzlich ein Effekt in transversaler Richtung auftritt. 1907 schlug Einstein ein Experiment mit Hilfe des von [[Kanalstrahlen]] emittierten Lichtes vor, um diesen Effekt nachzuweisen.<ref>{{Cite journal|author=Einstein, Albert|year=1907|title=Über die Möglichkeit einer neuen Prüfung des Relativitätsprinzips|journal=Annalen der Physik|volume=328|issue=6|pages=197–198 |url=http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/einstein-papers/1907_23_197-198.pdf}}</ref> |
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'''[[Herbert E. Ives]]''' and '''G. R. Stilwell''' undertook the task of executing the experiment and they came up with a very clever way of separating the much smaller TDE from the much bigger longitudinal Doppler effect. The experiment was executed in 1938<ref>{{cite journal |last=Ives |first=H. E. |authorlink= |coauthors=Stilwell, G. R. |year=1938 |month= |title=An experimental study of the rate of a moving atomic clock |journal=Journal of the Optical Society of America |volume=28 |issue=7 |pages=215 |bibcode=1938JOSA...28..215I |url= |accessdate= |quote= |doi=10.1364/JOSA.28.000215 }}</ref> and it was reprised multiple times (see, e.g.<ref>{{cite journal |last=Ives |first=H. E. |authorlink= |coauthors=Stilwell, G. R. |year=1941 |month= |title=An experimental study of the rate of a moving atomic clock. II |journal=Journal of the Optical Society of America |volume=31 |issue=5 |pages=369 |bibcode=1941JOSA...31..369I |url= |accessdate= |quote= |doi=10.1364/JOSA.31.000369 }}</ref>). |
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Erst 1938 konnten die damit zusammenhängenden technischen Probleme durch [[Herbert E. Ives]] überwunden werden. Es ergab sich nun ein positiver Effekt, der der Vorhersage der speziellen Relativitätstheorie entsprach. 1941 führt er zusammen mit G. R. Stilwell das Experiment mit größerer Genauigkeit noch einmal durch. (Ives selbst war übrigens ein Gegner der Relativitätstheorie und verwies auf die Bestätigung des "[[Lorentzsche Äthertheorie|Äthers von Larmor und Lorentz]]". Diese Theorie ist jedoch, im Vergleich zur speziellen Relativitätstheorie, konzeptionell überholt und wird nicht mehr in Betracht gezogen). <ref>{{cite journal |last=Ives |first=H. E. |authorlink= |coauthors=Stilwell, G. R. |year=1938 |month= |title=An experimental study of the rate of a moving atomic clock |journal=Journal of the Optical Society of America |volume=28 |issue=7 |pages=215 |doi=10.1364/JOSA.28.000215 }}</ref> |
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Ives wanted to do a positive test of time dilation, as followed from the "theory of Lorentz and Larmor" and as was first suggested "by Einstein and Ritz". This was the first direct, quantitative test of the time dilation factor. The experiment was repeated several times with increased precision.<ref>{{cite journal |author=Otting, G.|year=1939|title=Der quadratische Dopplereffekt |journal=Physikalische Zeitschrift |volume=40 |pages=681-687}}</ref><ref>{{cite journal |author=Mandelberg, Hirsch I.; Witten, Louis |year=1962|title=Experimental verification of the relativistic doppler effect |journal=Journal of the Optical Society of America |volume=52 |issue=5 |pages=529 |bibcode=1962JOSA...52..529M}}</ref> |
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<ref>{{cite journal |last=Ives |first=H. E. |authorlink= |coauthors=Stilwell, G. R. |year=1941 |month= |title=An experimental study of the rate of a moving atomic clock. II |journal=Journal of the Optical Society of America |volume=31 |issue=5 |pages=369 |doi=10.1364/JOSA.31.000369}}</ref> |
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Experimente dieser Art werden in teils veränderter Form bis heute wiederholt.<ref>{{cite journal |author=Otting, G.|year=1939|title=Der quadratische Dopplereffekt |journal=Physikalische Zeitschrift |volume=40 |pages=681-687}}</ref> |
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| ⚫ | <ref name=Hass>{{Cite journal| doi = 10.1007/BF01435932| volume = 289| issue = 2| pages = 151–155| last = Hasselkamp| first = D.| coauthors = E. Mondry, A. Scharmann| title = Direct observation of the transversal Doppler-shift| journal = Zeitschrift für Physik A; Hadrons and Nuclei| date = 1979|doi = 1979ZPhyA.289..151H }}</ref> |
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==Das Experiment== |
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The Ives–Stilwell experiment forms one of the fundamental tests of special relativity theory. Other such tests were the [[Michelson–Morley]] and [[Kennedy–Thorndike experiment]]s. |
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Ives verzichtete darauf, den durch die Zeitdilatation veränderten Dopplereffekt im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung der Kanalstrahlen zu beobachten, da ein Einfluss des longitudinalen Dopplereffekts kaum auszuschließen war. Deswegen entwickelte er eine Methode, um Licht in longitudinaler Ausbreitungsrichtung der Kanalstrahlen zu beobachten. Dabei werden drei Lichtstrahlen verglichen, die aus unbewegten, sich nähernden, und sich entfernenden Kanalstrahlen stammen. |
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==Analysis== |
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Gemäß klassischem [[Dopplereffekt]] müssten die [[Frequenz]]en von sich in- und entgegen der Bewegungsrichtung ausbreitendem Licht um '''f'/f = c/(c±v)''' verschoben sein, wo ''c'' die Lichtgeschwindigkeit und ''v'' die Geschwindigkeit der Kanalstrahlen ist. Wenn dies auf die [[Wellenlänge]]n übertragen wird, ergibt der klassische Dopplereffekt rot- und blauverschobene Wellenlängen mit den Werten '''1+v/c''' und '''1-v/c'''. Wenn alle drei Wellenlängen (rotverschobenen, blauverschobene, unveränderte) auf einer linearen Skala markiert werden, müssten diese gemäß der klassischen Theorie völlig gleichmäßig aufgeteilt sein. |
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Ives remarked, that it is nearly impossible to measure the transverse Doppler effect with respect to light rays emitted by [[Anode ray|canal rays]], at right angels to the direction of motion of the canal rays (as it was considered earlier by Einstein), because the influence of the longitudinal effect can hardly be excluded. Therefore he developed a method, to observe the effect in the longitudinal direction of the canal rays' motion. |
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If it is assumed that the speed of light is fixed with respect to the observer (“Classical Theory”), then the forward and rearward [[Doppler shift|Doppler-shift]]ed frequencies seen on a moving object will be '''f'/f = c/(c±v)''', where '''v''' is recession velocity. Under special relativity, the two frequencies will also include an additional “[[Lorentz factor]]” [[redshift]] correction. |
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When we invert these relationships so that they relate to wavelengths rather than frequencies, “Classical Theory” predicts redshifted and blueshifted wavelength values of '''1+v/c''' and '''1-v/c''', so if all three wavelengths (redshifted, blueshifted and original) are marked on a linear scale, according to Classical Theory the three marks should be perfectly evenly spaced. |
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<CENTER>'''|.....|.....|'''</CENTER> |
<CENTER>'''|.....|.....|'''</CENTER> |
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Berücksichtigt man jedoch die Zeitdilatation, müssten die beiden äußeren Markierungen (bezüglich der unbewegten zentralen Markierung) etwas verschoben sein, d.h. es müsste eine Verschiebung eintreten, welche exakt der entspricht, welche auch in transversaler Richtung auftreten würde. |
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But if the light is shifted by special relativity's predictions, the additional Lorentz offset means that the two outer marks will be offset in the same direction with respect to the central mark. |
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<CENTER>'''|....|......|'''</CENTER> |
<CENTER>'''|....|......|'''</CENTER> |
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Ives und Stilwell fanden tatsächlich eine signifikante Verschiebung des Schwerpunkts der drei Markierungen, in Übereinstimmung mit der Verschiebung, wie sie sich aus dem relativistischen Dopplereffekt ergeben müsste. |
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Ives and Stilwell found that there was a significant offset of the centre of gravity of the three marks, and therefore the Doppler relationship was not that of "Classical Theory". |
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This approach had two main advantages: |
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#didn't require us to commit to an exact value for the velocity involved (which might have been theory-dependent), and |
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Während bei diesem Test der transversale Dopplereffekt aus dem longitudinalen sozusagen herausgefiltert wurde, konnte 1979 auch ein "rein transversaler" Test durchgeführt werden.<ref name=Hass /> |
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==See also== |
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==Siehe auch== |
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* [[Special relativity]] |
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* [[Geschichte der speziellen Relativitätstheorie]] |
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* [[Relativistic Doppler effect]] |
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* [[Herbert E. Ives]] |
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==Einzelnachweise== |
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==Literatur== |
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<references /> |
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[[Kategorie:Optische Messtechnik]] |
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== External links == |
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[[Kategorie:Spezielle Relativitätstheorie]] |
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*[http://www.exphy.uni-duesseldorf.de/ResearchInst/FundPhys.html Modern Reenactments of Relativity Tests] |
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[[Kategorie:Physikalisches Experiment]] |
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*M Moriconi, 2006, [http://www.iop.org/EJ/abstract/0143-0807/27/6/015 Special theory of relativity through the Doppler effect] |
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*[http://adamauton.com/warp/ Warp Special Relativity Simulator] Computer program demonstrating the relativistic doppler effect. |
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*[http://mathpages.com/home/kmath587/kmath587.htm The Doppler Effect] at MathPages |
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[[en:Ives–Stilwell experiment]] |
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[[Category:Special relativity]] |
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[[Category:Doppler effects]] |
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[[Category:Physics experiments]] |
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[[Category:1938 in science]] |
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Version vom 22. April 2011, 20:16 Uhr
Das Ives-Stilwell-Experiment war das erste Experiment, mit dem der transversale Dopplereffekt und somit die aus der speziellen Relativitätstheorie folgende Zeitdilatation direkt nachgewiesen werden konnte. Zusammen mit dem Michelson-Morley-Experiment und dem Kennedy-Thorndike-Experiment ist es eines der grundlegenden Experimente der speziellen Relativitätstheorie, aus denen die gesamte Theorie hergeleitet werden kann.[1]
Geschichte
Joseph Larmor (1900) und Hendrik Antoon Lorentz (1904) stellten die Lorentz-Transformation auf, um die Unentdeckbarkeit eines ruhenden Äthers zu erklären. Dabei bemerkte Larmor, dass die veränderte Zeitkoordinate so verstanden werden kann, dass Prozesse bei bewegten Objekten im Äther langsamer ablaufen. Albert Einstein (1905) konnte zeigen, dass dieser Effekt eine notwendige Konsequenz der aus dem Relativitätsprinzip und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit gefolgerten Relativität der Zeit ist, und nichts mit einem Äther zu tun hat. Die Zeitdilatation führt nach Einstein zu einer Modifikation des longitudinalen Dopplereffekts, wobei zusätzlich ein Effekt in transversaler Richtung auftritt. 1907 schlug Einstein ein Experiment mit Hilfe des von Kanalstrahlen emittierten Lichtes vor, um diesen Effekt nachzuweisen.[2]
Erst 1938 konnten die damit zusammenhängenden technischen Probleme durch Herbert E. Ives überwunden werden. Es ergab sich nun ein positiver Effekt, der der Vorhersage der speziellen Relativitätstheorie entsprach. 1941 führt er zusammen mit G. R. Stilwell das Experiment mit größerer Genauigkeit noch einmal durch. (Ives selbst war übrigens ein Gegner der Relativitätstheorie und verwies auf die Bestätigung des "Äthers von Larmor und Lorentz". Diese Theorie ist jedoch, im Vergleich zur speziellen Relativitätstheorie, konzeptionell überholt und wird nicht mehr in Betracht gezogen). [3] [4] Experimente dieser Art werden in teils veränderter Form bis heute wiederholt.[5] [6] [7]
Das Experiment
Ives verzichtete darauf, den durch die Zeitdilatation veränderten Dopplereffekt im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung der Kanalstrahlen zu beobachten, da ein Einfluss des longitudinalen Dopplereffekts kaum auszuschließen war. Deswegen entwickelte er eine Methode, um Licht in longitudinaler Ausbreitungsrichtung der Kanalstrahlen zu beobachten. Dabei werden drei Lichtstrahlen verglichen, die aus unbewegten, sich nähernden, und sich entfernenden Kanalstrahlen stammen.
Gemäß klassischem Dopplereffekt müssten die Frequenzen von sich in- und entgegen der Bewegungsrichtung ausbreitendem Licht um f'/f = c/(c±v) verschoben sein, wo c die Lichtgeschwindigkeit und v die Geschwindigkeit der Kanalstrahlen ist. Wenn dies auf die Wellenlängen übertragen wird, ergibt der klassische Dopplereffekt rot- und blauverschobene Wellenlängen mit den Werten 1+v/c und 1-v/c. Wenn alle drei Wellenlängen (rotverschobenen, blauverschobene, unveränderte) auf einer linearen Skala markiert werden, müssten diese gemäß der klassischen Theorie völlig gleichmäßig aufgeteilt sein.
Berücksichtigt man jedoch die Zeitdilatation, müssten die beiden äußeren Markierungen (bezüglich der unbewegten zentralen Markierung) etwas verschoben sein, d.h. es müsste eine Verschiebung eintreten, welche exakt der entspricht, welche auch in transversaler Richtung auftreten würde.
Ives und Stilwell fanden tatsächlich eine signifikante Verschiebung des Schwerpunkts der drei Markierungen, in Übereinstimmung mit der Verschiebung, wie sie sich aus dem relativistischen Dopplereffekt ergeben müsste.
Während bei diesem Test der transversale Dopplereffekt aus dem longitudinalen sozusagen herausgefiltert wurde, konnte 1979 auch ein "rein transversaler" Test durchgeführt werden.[7]
Siehe auch
Einzelnachweise
- ↑ Robertson, H. P.: Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity. In: Reviews of Modern Physics. 21. Jahrgang, Nr. 3, 1949, S. 378–382, doi:10.1103/RevModPhys.21.378.
- ↑ Einstein, Albert: Über die Möglichkeit einer neuen Prüfung des Relativitätsprinzips. In: Annalen der Physik. 328. Jahrgang, Nr. 6, 1907, S. 197–198 (uni-augsburg.de [PDF]).
- ↑ H. E. Ives, Stilwell, G. R.: An experimental study of the rate of a moving atomic clock. In: Journal of the Optical Society of America. 28. Jahrgang, Nr. 7, 1938, S. 215, doi:10.1364/JOSA.28.000215.
- ↑ H. E. Ives, Stilwell, G. R.: An experimental study of the rate of a moving atomic clock. II. In: Journal of the Optical Society of America. 31. Jahrgang, Nr. 5, 1941, S. 369, doi:10.1364/JOSA.31.000369.
- ↑ Otting, G.: Der quadratische Dopplereffekt. In: Physikalische Zeitschrift. 40. Jahrgang, 1939, S. 681–687.
- ↑ Mandelberg, Hirsch I.; Witten, Louis: Experimental verification of the relativistic doppler effect. In: Journal of the Optical Society of America. 52. Jahrgang, Nr. 5, 1962, S. 529, doi:10.1364/JOSA.52.000529.
- ↑ a b D. Hasselkamp, E. Mondry, A. Scharmann: Direct observation of the transversal Doppler-shift. In: Zeitschrift für Physik A; Hadrons and Nuclei. 289. Jahrgang, Nr. 2, 1979, S. 151–155, DOI:1979ZPhyA.289..151H(?!).