[论文解读] Precision test for the new Michelson-Morley experiments with rotating cryogenic cavities

M. Consoli|ArXiv.org|Jun 1, 2005

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 3

一句话总结

本文认为，2005年杜塞尔多夫旋转低温谐振腔的迈克耳孫-莫雷實驗中觀測到的天球調制幅度 $C_{\rm sid} \sim (11 \pm 2) \cdot 10^{-16}$，與同年2月米勒的歷史數據一致，預測在8月至9月間由於地球相對於優先參考系的速度變化，幅度將增加約70%，達到 $C_{\rm sid} \sim (19 \pm 2) \cdot 10^{-16}$。若得到確認，這將為違反標準洛倫茲不變性的優先參考系提供強有力證據。

ABSTRACT

A new ether-drift experiment in Düsseldorf is currently measuring the relative frequency shift of two cryogenic optical resonators upon active rotations of the apparatus. I point out that the observed fractional amplitude of the sidereal variations of the signal in February, C_sid \sim (11 \pm 2) 10^{-16}, is entirely consistent with the expectations based on Miller's observations in the same epoch of the year. This leads to predict that, with future data collected in August-September, the observed sidereal variations should increase by \sim + 70 %, i.e. up to C_sid \sim (19\pm 2) 10^{-16} retaining the present normalization. This would represent clean experimental evidence for the existence of a preferred frame.

研究动机与目标

• 測試近期高精度以太漂移實驗與同一時期歷史米勒數據的一致性。
• 預測在2005年8月至9月期間收集的未來數據中，頻率移位的天球調制幅度將顯著增加。
• 通過將現代低溫諧振腔實驗與米勒1926年的觀測進行比較，提供存在優先慣性參考系的定量測試。
• 評估觀測到的頻率移位是否可由引力勢導致的非真空折射率（而非標準真空洛倫茲不變性）解釋。

提出的方法

• 使用具有優先參考系 Σ 的洛倫茲相對論理論框架，其中光以各向同性方式傳播，並對地球參考系應用洛倫茲變換。
• 應用公式 $ \frac{\delta\nu}{\nu} \sim |B_{\rm medium}| \frac{v^{2}_{\rm earth}}{c^{2}} \cos(2\theta) $，將光學諧振腔中的頻率移位建模為旋轉角度 θ 和地球速度的函數。
• 估計真空折射率為 $ {\cal N}_{\rm vacuum} \sim 1 - 2\varphi $，其中 $ \varphi \sim -0.7 \cdot 10^{-9} $，進而得出 $ B_{\rm vacuum} \sim -4.2 \cdot 10^{-9} $。
• 將杜塞爾多夫實驗中觀測到的天球調制幅度 $ C_{\rm sid} $ 與米勒在2月及8月至9月的歷史數據進行比較，以預測未來信號行為。
• 使用關係式 $ v^{2}_{\rm obs} \sim 3({\cal N}^{2}_{\rm medium} - 1)v^{2}_{\rm earth} $，將觀測到的速度範圍轉換為地球速度的運動學估計值。
• 對未來數據進行模型無關分析，以測試優先參考系的存在，而不假設其與宇宙微波背景輻射（CMBR）方向一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 杜塞爾多夫實驗中觀測到的天球調制幅度是否與2月收集的歷史米勒數據一致？
• RQ2 根據米勒的觀測，當數據在8月至9月期間收集時，頻率移位的天球變化幅度是否如預期增加約70%？
• RQ3 低溫諧振腔實驗中觀測到的頻率移位是否可由引力勢導致的非真空折射率解釋，而非標準洛倫茲不變性？
• RQ4 若在8月至9月期間確認 $ C_{\rm sid} $ 從 $ (11 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ 增加至 $ (19 \pm 2) \cdot 10^{-16} $，是否能提供優先慣性參考系的明確實驗證據？

主要发现

• 2005年2月觀測到的天球調制幅度 $ C_{\rm sid} \sim (11 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ 與基於米勒1926年同期數據的理論預測一致。
• 理論預測從2月到8月至9月間天球調制幅度增加約70%，達到 $ C_{\rm sid} \sim (19 \pm 2) \cdot 10^{-16} $。
• 理論上的每日幅度變化為 $ \Delta A_{\rm th} \sim \pm 0.29~{}\text{Hz} $，對應於 $ \sim \pm 10 \cdot 10^{-16} $ 的相對變化，與觀測到的 $ \Delta A_{\rm exp} \sim \pm 0.31~{}\text{Hz} $ 一致。
• 觀測到的 $ C_{\rm sid} $ 值意味著每日幅度變化為 $ \pm 0.31~{}\text{Hz} $，與基於米勒數據的理論預測 $ \pm 0.17~{}\text{Hz} $ 相符，微小差異可由實驗歸一化解釋。
• 若在8月至9月期間確認預測的 $ (19 \pm 2) \cdot 10^{-16} $ 幅度，將與當前值產生3–4σ的偏離，提供強有力證據支持優先參考系的存在。
• 結果表明，觀測到的頻率移位可能源自地球引力勢導致的非真空折射率，而非真空中的洛倫茲破壞。