[论文解读] Testing Lorentz symmetry of special relativity by means of the Virgo or Ligo set-up, through the differential measure of the two orthogonal beams time-of-flight

G. Sardin|ArXiv.org|Apr 25, 2004

Relativity and Gravitational Theory参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文提出了一种利用Virgo或LIGO激光干涉仪装置的新颖测试方法，通过测量120–200公里路径长度上两束正交激光光束之间的差分飞行时间，检验狭义相对论中的洛伦兹对称性。借助飞秒脉冲和纳秒级时间分辨率的高速探测器，该实验可探测惯性参考系是否如相对论所预测的那样在电磁学上等价，或是否存在一个优选参考系（如宇宙微波背景辐射静止参考系），这可能是洛伦兹对称性破缺的体现。

ABSTRACT

A novel experiment to test special relativity via Lorentz symmetry has become factible thanks to three recent technological achievements: huge Michelson-like set-up with arms 3 km long (Virgo) and 4 km (Ligo) with beam paths respectively reaching 120 km and 200 km through multiple reflections, ultrashort laser pulses of 10-15 s and ultrafast detectors of 10-12 s resolution. The alliance of these three elements would allow checking the equality of the time-of-flight of the two orthogonal beams with a resolution high enough to allow prospecting in a novel way the equivalency of inertial system postulated in special relativity. In effect, for a beam path length of 120 or 200 km and a net drift velocity of earth of 370 km/s relative to the cosmic microwave background CMB), a classical analysis predicts a time-of-flight difference of the order of 10 ns between the two orthogonal beams, while relativity infers them to be equal. So, what is under scrutiny is the exhaustivity of the electromagnetic equivalency of inertial systems. A null time-of-flight difference would strengthen the Lorentz symmetry, while a non null result would bring a threshold to the equivalency of inertial systems and at the same time would provide a tool to define their speed, which should be equal to that relative to the CMB for being congruent.

研究动机与目标

• 检验狭义相对论的基本假定，即所有惯性参考系在电磁学上等价。
• 探究是否存在一个优选惯性参考系（如宇宙微波背景（CMB）静止参考系），这是由于洛伦兹对称性破缺所致。
• 利用现有的LIGO/Virgo基础设施，对正交光束之间的飞行时间相等性进行高精度检验。
• 利用最先进的时间测量技术，探测电磁现象中洛伦兹不变性的完备性。
• 若洛伦兹对称性被破坏，提供一种测量惯性系统相对于CMB的绝对速度的方法。

提出的方法

• 利用Virgo（120公里光路）和LIGO（200公里光路）的大尺度迈克尔逊干涉仪结构，通过多次反射实现。
• 将脉宽约为~10−15秒的超短激光脉冲注入干涉仪的两根正交光臂。
• 采用时间分辨率达10−12秒的超快探测器，独立测量每束脉冲的飞行时间。
• 对两束正交光束的飞行时间进行差分测量，以检测任何不对称性。
• 将测得的飞行时间差与经典理论预测值（约10纳秒，源于地球相对于CMB的370 km/s运动）和相对论预测值（零差）进行比较。
• 根据零结果或非零偏差，评估洛伦兹对称性的有效性，并在存在时识别优选参考系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大尺度干涉仪中，根据经典物理中存在优选参考系的预测，两束正交光路的光飞行时间是否存在差异？
• RQ2 根据狭义相对论和洛伦兹对称性要求，光在所有惯性参考系中的飞行时间是否相等？
• RQ3 Virgo或LIGO装置能否以纳秒级精度检测到飞行时间差，从而足以探测洛伦兹对称性破缺？
• RQ4 若观测到非零飞行时间差，其数值是否与地球相对于宇宙微波背景的速度相符？
• RQ5 此类测量是否能定义一个绝对速度参考系，从而挑战相对性原理？

主要发现

• 经典分析预测，由于地球相对于宇宙微波背景的370 km/s运动，两束正交光路之间存在约10纳秒的飞行时间差。
• 狭义相对论预测，无论系统如何运动，两臂的飞行时间应完全相等。
• 所提出的实验可实现足够高的飞行时间分辨率，以检测10纳秒或更低的差异，从而对洛伦兹对称性进行直接检验。
• 若得到零结果（飞行时间相等），将强烈支持洛伦兹对称性的有效性以及惯性参考系的等价性。
• 若得到非零结果，则表明洛伦兹对称性被破坏，并可直接测量系统相对于宇宙微波背景静止参考系的速度。
• 该方法提供了一种新颖且高精度的手段，用于探测惯性系统电磁等价性的完备性。