Hughes-Drever-Experiment

Datei:Lithium-7-NMR spectrum of LiCl (1M) in D2O.gif

⁷Li-NMR-Spektrum von LiCl (1M) in D₂O. Die scharfe, ungeteilte NMR-Linie dieses Lithiumisotops ist ein Beleg für die Isotropie von Masse und Energie.

Experimente durch Hughes und Drever

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 spektroskopische Beobachtung von Zeeman-Effekten in Atomkernen nachgewiesen werden.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>

Vernon Hughes et al. (1960) und Ronald Drever (1961) führten nun unabhängig voneinander ähnliche 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.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref> <ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>

Moderne Interpretation

Während dieses Experiment ursprünglich auf das Machsche Prinzip bezogen wurde, wird es in modernen Arbeiten vielfach als wichtige Überprüfung der Lorentzinvarianz und somit der speziellen Relativitätstheorie interpretiert. Denn 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. Im Besonderen konnten die Physiker Mark P. Haugan und Clifford Will zeigen, dass diese Experimente als Überprüfungen der Frage interpretiert werden können, 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. 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.<ref group=A name=willb /><ref group=A name=will />

Aufgrund der Tatsache, dass hier unterschiedliche Frequenzen verglichen werden, und diese wiederum als Uhren aufgefasst werden können, werden diese Experimente auch als "clock comparison"-(Uhrenvergleichs)-Experimente bezeichnet.<ref group=A name=koste /><ref group=A name=matt />

Neuere Experimente

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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.<ref group=A name=posp /><ref group=A name=wals />

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 (SME, eine der 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):<ref group=A name=koste /><ref group=A>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref><ref group=A name=matt />

Autor	Jahr	SME-Grenzen			Beschreibung
Autor	Jahr	Proton	Neutron	Elektron	Beschreibung
Prestage et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	1985		10⁻²⁷		Der nukleare Spin-Flip-Übergang von ⁹Be⁺ (gespeichert in einer Penning-Falle gespeichert) wird mit einer Wasserstoff-Maser-Uhr verglichen.
Phillips<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	1987			10⁻²⁷	Sinusförmige Oszillationen werden untersucht unter Benutzung einer kryogenischen Spin-Torsionswaage, die einen transversal polarisierten Magneten trägt.
Lamoreaux et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	1989		10⁻²⁹		Es wurden dipolare und quadrupolare Spinpolarisationen in ein ²⁰¹Hg-Gas induziert, und nach Variationen gesucht.
Chupp et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	1989		10⁻²⁷		Es wurde nach zeitabhängigen quadrupolaren Aufspaltungen des Zeemanniveaus geforscht. ²¹Ne- und ³He-Gase werden durch Spinausstausch polarisiert und miteinander verglichen.
Wineland et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	1991			10⁻²⁵	Anomale Dipol-Monopol- und Dipol-Dipol-Kopplungen werden untersucht, indem die hyperfeinen Resonanzen in ⁹Be⁺ erforscht werden.
Wang et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	1993			10⁻²⁷	Eine Spin-Torsionswaage, die eine spinpolarisierte Dy₆ Fe₂₃-Masse trägt, wird nach siderischen Variationen untersucht.
Berglund et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	1995	10⁻²⁷	10⁻³⁰	10⁻²⁷	Die Frequenzen von ¹⁹⁹Hg und ¹³³Cs werden verglichen durch Anwendung eines Magnetfeldes.
Bear et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2000		10⁻³¹		Die Frequenzen von ¹²⁹Xe- und ³He-Zeemanmasern werden verglichen.
Phillips et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2000	10⁻²⁷			Die Zeemanfrequenz wird mit einem Wasserstoffmaser ermittelt.
Humphrey et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2003	10⁻²⁷		10⁻²⁷	Siehe Phillips et al. (2000).
Hou et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2003			10⁻²⁹	Siehe Wang et al. (1993).
Canè et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2004		10⁻³²		Siehe Bear et al. (2000).
Wolf et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2006	10⁻²⁵			Atomare Frequenzen werden gemessen durch Benutzung von lasergekühlten ¹³³Cs-Atomfontänen.
Heckel et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2006			10⁻³⁰	Es wurde eine Spin-Torsionswaage benutzt, bestehend aus vier Abschnitten aus Alnico und vier Abschnitten aus Sm ₅Co.
Heckel et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2008			10⁻³¹	Siehe Heckel et al. (2006).
Altarev et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2009		10⁻²⁹		Die Spin-Präzessionsfrequenzen in gespeicherten ultrakalten Neutronen und 199Hg werden analysiert.
Brown et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2010	10⁻³²	10⁻³³		Die Frequenzen in einem K-/³He-Komagnetometer werden verglichen.
Gemmel et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2010		10⁻³²		Die Frequenzen in einem ¹²⁹Xe / ³He Komagnetometer werden verglichen.
Smiciklas et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2011		10⁻²⁹		Die Frequenzen in einem ²¹Ne / Rb-/K-Komagnetometer werden verglichen. Test der Grenzgeschwindigkeit von Neutronen.
Peck et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2012	10⁻³⁰	10⁻³¹		Ähnlich wie Berglund et al. (1995).
Hohensee et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2013			10⁻¹⁷	Messungen der Übergangsfrequenzen zweier annähernd entarteter Zustände von ¹⁶⁴Dy und ¹⁶²Dy. Test der Grenzgeschwindigkeit von Elektronen.
Allmendinger et al.<ref>Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>	2013		10⁻³⁴		Siehe Gemmel et al. (2010).

Einzelnachweise

Übersichtsliteratur: <references group=A />

Quellen für Werteanagaben: <references />

Weblinks

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