[论文解读] Old and new ether-drift experiments: a sharp test for a preferred frame

M. Consoli, E. Costanzo|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2004

Geophysics and Sensor Technology参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出了一项尖锐的实验测试，通过在洛伦兹相对论框架下重新诠释经典与现代的以太漂移实验，检验是否存在优选惯性参考系。若存在优选参考系，将激光频率漂移实验中的高真空谐振腔替换为空气填充的谐振腔，可使信号增强五个数量级；若实验结果为零，则可在数天内彻底排除优选参考系的存在。

ABSTRACT

Motivated by the critical remarks of several authors, we have re-analyzed the classical ether-drift experiments with the conclusion that the small observed deviations should not be neglected. In fact, within the framework of Lorentzian Relativity, they might indicate the existence of a preferred frame relatively to which the Earth is moving with a velocity v_earth\sim 200$ km/s (value projected in the plane of the interferometer). We have checked this idea by comparing with the modern ether-drift experiments, those where the observation of the fringe shifts is replaced by the difference Δνin the relative frequencies of two cavity-stabilized lasers, upon local rotations of the apparatus or under the Earth's rotation. It turns out that, even in this case, the most recent data are consistent with the same value of the Earth's velocity, once the vacuum within the cavities is considered a physical medium whose refractive index is fixed by General Relativity. We thus propose a sharp experimental test that can definitely resolve the issue. If the small deviations observed in the classical ether-drift experiments were not mere instrumental artifacts, by replacing the high vacuum in the resonating cavities with a dielectric gaseous medium (e.g. air), the typical measured Δν\sim 1 Hz should increase by orders of magnitude. This expectation is consistent with the characteristic modulation of a few kHz observed in the original experiment with He-Ne masers. However, if such enhancement would not be confirmed by new and more precise data, the existence of a preferred frame can be definitely ruled out.

研究动机与目标

• 重新评估经典以太漂移实验（迈克耳孫-莫雷、米勒、莫雷、肯尼迪、伊利英沃思、乔斯）以寻找可能表明优选参考系的非零结果。
• 将经典实验中观测到的微小条纹位移与现代激光谐振腔实验中测量的相对频率漂移Δν相协调。
• 通过将谐振腔中的真空替换为电介质介质（例如空气）提出一项决定性实验测试，若存在优选参考系，预期Δν将增加10^5倍。
• 利用洛伦兹变换与广义相对论，从观测数据推导出地球相对于优选参考系的运动速度。
• 通过比较现代实验中预测与测量的Δν，检验洛伦兹诠释与爱因斯坦相对论的一致性。

提出的方法

• 使用条纹位移的二次谐波拟合方法重新分析历史以太漂移数据，提取出有效地球速度v_obs ~ 8.5 ± 1.5 km/s。
• 应用洛伦兹变换将v_obs转换为相对于优选参考系的真实运动速度v_earth ~ 204 ± 36 km/s。
• 使用公式Δν/ν ~ |B_medium| v_earth²/c²，其中B_medium = -3(N_medium - 1)，预测现代谐振腔稳定激光实验中的频率漂移。
• 应用广义相对论估算高真空中B_vacuum ~ 4×10⁻⁹，从而得到理论Δν/ν ~ (1.9 ± 0.7)×10⁻¹⁵，与实验值(2.6 ± 1.7)×10⁻¹⁵一致。
• 预测将真空替换为空气（B_air ~ 9×10⁻⁴）将使Δν相比真空实验增加约五个数量级。
• 提出新实验：在激光谐振腔中用空气替换真空，以检验Δν是否增强；若无增强现象，则可在数天内彻底排除优选参考系的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典以太漂移实验（迈克耳孫-莫雷、米勒等）中观测到的微小非零条纹位移能否一致地解释为优选惯性参考系的证据？
• RQ2 在多个经典实验中观测到的地球速度v_obs ~ 8.5 ± 1.5 km/s是否与一个单一的、真实的地球运动速度v_earth ~ 204 ± 36 km/s在优选参考系中一致？
• RQ3 当假设v_earth ~ 204 ± 36 km/s时，现代激光谐振腔实验中测量的Δν/ν ~ 10⁻¹⁵是否与洛伦兹相对论和广义相对论的预测一致？
• RQ4 若将激光谐振腔中的高真空替换为空气（N_air ~ 1.00029），是否如模型预测的那样使Δν增加约10⁵倍？
• RQ5 在该改进实验中，若得到零结果，是否可在数天的数据收集期内彻底排除优选参考系的存在？

主要发现

• 对经典以太漂移实验的重新分析得出一致的有效地球速度v_obs ~ 8.5 ± 1.5 km/s，与米勒的日均值及穆涅拉的独立分析结果一致。
• 通过洛伦兹变换，该v_obs对应于相对于优选参考系的真实运动速度v_earth ~ 204 ± 36 km/s，与米勒的年周期变化数据一致。
• 高真空中激光实验的理论Δν/ν预测值为(1.9 ± 0.7)×10⁻¹⁵，与参考文献[18]中实验值(2.6 ± 1.7)×10⁻¹⁵高度一致。
• 对于空气中的He-Ne激光器，该模型预测典型Δν ~ 16 kHz，伴有若干kHz的调制，与贾塞亚等人的数据一致，尽管误差较大。
• 将激光谐振腔中的真空替换为空气，可使预期Δν增加约五个数量级（从~1 Hz增至~100,000 Hz），使信号变得极易探测。
• 若在新实验中未观测到此类增强，则可在数天的数据收集期内彻底排除优选参考系的存在。