Войти
Хафеле и Китинг на борту коммерческого авиалайнера с двумя атомными часами 
Один из настоящих цезиевых лучей HP 5061A атомные часы, использованные в эксперименте Хафеле – Китинга Эксперимент Хафеле – Китинга был проверкой теории относительности. В октябре 1971 года физик Джозеф К. Хафеле и астроном Ричард Э. Китинг сняли четыре цезиевых -лучевых атомных часа на борту коммерческих авиалайнеров. Они дважды облетели земной шар, сначала на восток, затем на запад, и сравнили часы с часами, оставшимися в военно-морской обсерватории США. При воссоединении было обнаружено, что три набора часов не согласуются друг с другом, и их различия согласуются с предсказаниями специальной и общей теории относительности.
Согласно специальной теории относительности, скорость часов наибольшая в соответствии с наблюдатель, покоящийся относительно часов. В системе отсчета, в которой часы не находятся в состоянии покоя, часы работают медленнее, что выражается фактором Лоренца. Этот эффект, называемый замедлением времени, был подтвержден во многих тестах специальной теории относительности, таких как эксперимент Айвса – Стилвелла и экспериментальная проверка времени. дилатация. Рассматривая эксперимент Хафеле – Китинга в системе отсчета, покоящейся относительно центра Земли (поскольку это инерциальная система отсчета), часы на борту самолета, движущегося на восток, в направлении вращения Земли, имели большую скорость (приводя к относительной потере времени), чем часы, оставшиеся на земле, в то время как часы на борту самолета, движущегося в западном направлении, против вращения Земли, имели меньшую скорость, чем часы на земле.
Общая теория относительности предсказывает дополнительный эффект, при котором увеличение гравитационного потенциала из-за высоты ускоряет часы. То есть часы на большей высоте тикают быстрее, чем часы на поверхности Земли. Этот эффект был подтвержден во многих тестах общей теории относительности, таких как эксперимент Паунда – Ребки и Gravity Probe A. В эксперименте Хафеле – Китинга наблюдалось небольшое увеличение гравитационного потенциала из-за высоты, которая имела тенденцию ускорять часы назад. Поскольку самолет летел примерно на одинаковой высоте в обоих направлениях, этот эффект был примерно одинаковым для двух самолетов, но, тем не менее, он вызвал разницу по сравнению с часами на земле.
Результаты были опубликованы в Science в 1972 году:
| наносекунд получено, прогнозировалось | наносекунд,. выиграно,. измерено | разница | |||
|---|---|---|---|---|---|
| гравитационный | кинематическая | всего | |||
| восток | +144 ± 14 | −184 ± 18 | −40 ± 23 | −59 ± 10 | 0,76 σ |
| на запад | +179 ± 18 | +96 ± 10 | +275 ± 21 | +273 ± 7 | 0,09 σ |
Опубликованные результаты эксперимента соответствовали специальной и общей теории относительности. Наблюдаемые выигрыши и потери во времени отличались от нуля до высокой степени достоверности и соответствовали релятивистским предсказаниям с точностью ~ 10% эксперимента.
В своей оригинальной статье 1905 года о специальной теории относительности, Альберт Эйнштейн предложил возможную проверку теории: «Отсюда мы заключаем, что пружинные часы на экваторе должны идти медленнее, на очень небольшую величину, чем точно такие же часы, расположенные на одном из полюсов при идентичных в остальном условиях ». На самом деле теперь известно, что все часы, расположенные на уровне моря на поверхности Земли, тикают на одинаковая скорость, независимо от широты, потому что кинематические и гравитационные эффекты замедления времени нейтрализуются (при условии, что поверхность Земли является эквипотенциальной ). Кинематический эффект был подтвержден в эксперименте Айвса – Стилуэлла 1938 г. и в эксперименте Росси – Холла 1940 г. Предсказание общей теории относительности о гравитационном эффекте было подтверждено в 1959 году Паундом и Ребкой. В этих экспериментах, однако, использовались субатомные частицы, и поэтому они были менее прямыми, чем тип измерения с реальными часами, как первоначально предполагал Эйнштейн.
Хафеле, доцент физики в Вашингтонском университете в Санкт-Петербурге. Луи готовил заметки для лекции по физике, когда он сделал предварительный расчет, показывающий, что атомные часы на борту коммерческого авиалайнера должны иметь достаточную точность, чтобы обнаружить предсказанные релятивистские эффекты. Он провел год в бесплодных попытках получить финансирование для такого эксперимента, пока к нему не обратился после выступления на эту тему Китинг, астроном из Военно-морской обсерватории США, который работал с атомными часами.
Хафеле и Китинг получили 8000 долларов в виде финансирования от Управления военно-морских исследований для одного из самых недорогих тестов общей теории относительности, когда-либо проводившихся. Из этой суммы 7600 долларов было потрачено на восемь кругосветных авиабилетов, включая два места на каждый рейс для «Мистера Часов». Они облетели весь мир на восток, в течение недели шли бок о бок часы, а затем полетели на запад. Экипаж каждого полета помогал, предоставляя навигационные данные, необходимые для сравнения с теорией. В дополнение к научным статьям, опубликованным в Science, в популярной прессе и других изданиях было опубликовано несколько отчетов, в том числе один с фотографией (заголовок этой статьи), на которой бортпроводник проверяет свои наручные часы, стоя за дверью.
Более сложный и точный эксперимент такого рода был выполнен исследовательской группой из Университета Мэриленда с сентября 1975 по январь 1976 года. часы были доставлены на высоту 10 км над Чесапикским заливом в Мэриленде, а еще три атомных часа стояли на земле. Был использован турбовинтовой самолет, летавший со скоростью всего 500 км / ч, чтобы минимизировать влияние скорости. Самолет постоянно наблюдался с помощью радара, его положение и скорость измерялись каждую секунду. Выполнено пять полетов продолжительностью 15 часов каждый. Специальные контейнеры защищали часы от внешних воздействий, таких как вибрации, магнитные поля или перепады температуры. Разница во времени измерялась прямым сравнением часов на земле до и после полета, а также во время полета лазерными импульсами длительностью 0,1 нс. Эти сигналы были отправлены на самолет, отражены и снова приняты на наземной станции. Разницу во времени можно было наблюдать во время полета до последующего анализа. Была измерена общая разница в 47,1 нс, которая складывалась из эффекта скорости -5,7 нс и гравитационного эффекта 52,8 нс. Это согласуется с релятивистскими предсказаниями с точностью около 1,6%.
Реконструкция первоначального эксперимента Национальной физической лабораторией состоялась в 1996 году в день 25-летия первоначального эксперимента, использование более точных атомных часов во время полета из Лондона в Вашингтон, округ Колумбия и обратно. Результаты были проверены с более высокой степенью точности. Наблюдался выигрыш во времени 39 ± 2 нс по сравнению с релятивистским предсказанием 39,8 нс. В июне 2010 года Национальная физическая лаборатория снова повторила эксперимент, на этот раз по всему миру (Лондон - Лос-Анджелес - Окленд - Гонконг - Лондон). Прогнозируемое значение составило 246 ± 3 нс, измеренное значение 230 ± 20 нс.
Поскольку эксперимент Хафеле-Китинга воспроизводился все более точными методами, физики пришли к единому мнению, по крайней мере, с 1970-х годов, что релятивистские предсказания гравитационных и кинематических эффектов во времени были окончательно подтверждены. Критика эксперимента не касалась последующей проверки результата более точными методами и, как было показано, является ошибочным.
Измерения, в которых единственный эффект был гравитационным, были проведены Iijima et al. между 1975 и 1977 гг. они несли коммерческие цезиевые часы из Национальной астрономической обсерватории Японии в Митака, на высоте 58 м (190 футов) над уровнем моря, до Коронационная станция Норикура, на высоте 2 876 м (9 436 футов) над уровнем моря, что соответствует перепаду высот 2 818 м (9 245 футов). В те времена, когда часы оставались в Митаке, их сравнивали с другими цезиевыми часами. Измеренное изменение скорости составило (29 ± 1,5) × 10, что согласуется с результатом 30,7 × 10, предсказанным общей теорией относительности.
В 1976 году Бриаторе и Лешютта сравнили скорость двух цезиевых часов, один в Турин 250 м (820 футов) над уровнем моря, другой на плато Роза 3500 м (11500 футов) над уровнем моря. Сравнение проводилось путем оценки времени прихода телевизионных импульсов синхронизации УКВ и цепочки LORAN -C. Прогнозируемая разница составила 30,6 нс / день. Используя два разных рабочих критерия, они обнаружили разницу в 33,8 ± 6,8 нс / день и 36,5 ± 5,8 нс / день соответственно, что согласуется с общей теорией относительности. Факторы окружающей среды контролировались гораздо точнее, чем в эксперименте Иидзима, в котором пришлось применить множество сложных поправок.
В 2005 году ван Баак измерил гравитационное замедление времени выходного дня на вершине горы.. Rainier с использованием двух ансамблей из трех часов цезиевого луча HP 5071A. Он повторил эксперимент в 2016 году на Mt. Леммон для телешоу Гений Стивена Хокинга.
В 2010 году Чоу и др. провели тесты, в которых измерялись как гравитационные, так и скоростные эффекты при скоростях и гравитационных потенциалах, намного меньших, чем те, которые использовались в экспериментах в горной долине 1970-х годов. Удалось подтвердить замедление скорости на уровне 10 на скоростях ниже 36 км / ч. Кроме того, гравитационное замедление времени измерялось по разнице в высоте между двумя часами, составляющей всего 33 см (13 дюймов).
В настоящее время как гравитационные, так и скоростные эффекты обычно включаются, например, в вычисления, используемые для Глобальная система позиционирования.
