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■特殊相対性理論(SRT)を実証するとされている実験■


  特殊相対性理論は様々な実験検証によって確立された理論であり、安易な批判には注意を要します。その一方で、例え確立された理論であっても、常に批評する眼を持って中立・公正な判断を下す姿勢も重要です。ここでは、現在までの特殊相対性理論を“実証した“とする実験データ及び解析を掲載した論文リストを紹介します。あくまで一般に実証したとされている論文です。他のページでも指摘しましたが、中にはデータ解析方法や結論が適切かどうか疑問視される論文も含まれています。その信憑性については、各自でご判断ください。ここで紹介する参考文献はほんの一部ですが、より詳細な情報は”Special Relativity and its Experimental Foundation”[by Yuan Zhong Zhang,World Scientific (1996)]等をご参考下さい。


(注)文献によってはリンクされていますが、雑誌購入している研究機関などからしか閲覧することはできません。必要な場合は、希望する論文のみを直接出版社から購入することが出来ます。

 


特殊相対性理論と検証実験

アインシュタインが彼の有名な論文"The Electrodynamics of Moving Bodies"を執筆した頃には、彼の新しい理論は実験的な裏付けも得ていました。


光の媒体(エーテル)に対する地球の運動を検証する試みが不成功に終っている事からも、電磁気学や力学が絶対空間の概念を必要としない事がわかる。むしろ、如何なる慣性系においても同じ電磁気学や光学の法則が成立していることを示している。」

では、彼の言う実験的裏付けとは一体何なのでしょうか?

1.当時、移動物体の電磁気学に関する実験は幾つか存在していました。それらの実験は、現在の我々にはあまり知られていませんが、アインシュタインは知っていた様子です。

  • W.C. Roentgen, Annalen der Physik 35 (1888), p. 264
    Roentgen
    は、この論文の中で実験(エーテルに対する地球の運動速度を測定する目的)が"unsuccesful"(不成功) であったとしています。(Trouton-Noble実験の初期バージョン)
  • A.Eichenwald, Annalen der Physik 11 (1903), p.1 and. p.241
     これは、いわゆるRoentgen convectionと呼ばれる現象に関連して電場を利用した実験。 (Sommerfeld Vol.3, Chapter 4 参照)
  • 磁場を利用した同様の実験:
    H. A. Wilson, Philosph. Transact. Roy. soc. London 204 (1904), p. 121
    H. A. Wilson, M. Wilson, Philosph. Transact. Roy. soc. London 89 (1913), p. 99

2.この他に、double refractionを利用して地球の絶対運動の検出を試みた2つの実験:

  • Rayleigh Phil. Mag. (6) 4, p. 678 (1902)
  • Brace Phil. Mag. (6) 7, p. 317 (1904)

3.アインシュタインの理論に最も重要な役割を果たした実験は Arago, Fizeau及びHoekによるもので、1885年、Lorentz はこの実験により多くのエーテル理論に厳格な物理的条件が課せられる事を示しました。

又、1949年、Robertson ( Review of Modern Physics 21, p. 378参照)は以下の3つの実験が必然的に特殊相対性理論(SRT)を導く事を示しました。

  1. Michelson-Morley (マイケルソン−モーレイ実験)
  2. Kennedy-Thorndyke (ケネディ−ソーンダイク実験)
  3. Transversal Doppler Effect (横ドップラー効果)

I. SRTに関する古典的実験:

0: Arago

1: Fizeau

2: Hoek

3: Michelson-Morley (MMX)

4: Trouton-Noble

5: Kennedy-Thorndyke (KTX)

6: Sagnac

7: Michelson-Gale

上述の実験についての詳細は、殆どの特殊相対論のテキストに紹介されている:

French: Special Relativity (Chapman and Hall 1968)

Sommerfeld: Theoretical Physics Vol 3 and 4

Born: The Theory of Relativity

Bergmann-Schaefer (in German)

von Laue ( in German)

Tipler

Taylor Wheeler: Space-time Physics

原本:

MMX実験 : A.A. Michelson and E.W. Morley, On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether Am. J.Sci. (3rd series) 34 333-345 (1887).

MMX実験, Fizeau実験及びMichelson and MorleyによるFizeau実験の反復実験に関する詳細は、以下を参照: Shankland, American Journal of Physics 1964, p.16

KTX: R.J. Kennedy and E.M. Thorndike, Experimental Establishment of the Relativity of Time Phys. Rev. 42 400-418 (1932)


II. MMX実験の反復実験:

  1. G. Joos, Ann. Phys. 7 385 (1930)
  2. R.S. Shankland, S.W. McCuskey, F.C. Leone and G. Kuerti, New Analysis of the Interferometric Observations of Dayton C. Miller, Rev. Mod. Phys. 27 167-178 (1955)

この論文は1880年から1930年の間に行われたMichelson-Morley実験のデータを収録:

実験者

実施年

干渉計の腕の長さ

予想された干渉縞の変化

測定された干渉縞の変化

Michelson

1881

1.2

0.04

0.02

Michelson + Morley

1887

11.0

0.4

0.01

Morley + Morley

1902-04

32.2

1.13

0.015

Miller

1921

32.0

1.12

0.08

Miller

1923-24

32.0

1.12

0.03

Miller (Sunlight)

1924

32.0

1.12

0.014

Tomascheck (Starlight)

1924

8.6

0.3

0.02

Miller

1925-26

32.0

1.12

0.088

Kennedy (Mt. Wilson)

1926

2.0

0.07

0.002

Ilingworth

1927

2.0

0.07

0.0002

Piccard + Stahel(Mt.Rigi)

1927

2.8

0.13

0.006

Michelson et al.

1929

25.9

0.9

0.01

Joos

1930

21.0

0.75

0.002

  1. T.S. Jaseja, A. Javan, J. Murray and C.H. Townes, Test of Special Relativity or of the Isotropy of Space by Use of Infrared Masers Phys. Rev. 133A 1221-1225 (1964)
  2. A. Brillet and J.L. Hall, Improved Laser Test of the Isotropy of Space Phys. Rev. Lett. 42 549-552 (1979)

III. Fizeau実験の反復実験:

  1. Michelson-Morley,: American Journ. Science 31, 377 (1886)
    これはFizeauの実験であって、本来のMMX実験ではない。
  2. Zeeman: Proc. Royal Soc. Amsterdam 17, p. 445 (1914)
    Proc. Royal Soc. Amsterdam 18, p. 398 (1915)
    Amst. Versl. 23, p. 245 (1914)
    Amst. Versl. 24, p. 18 (1915)

    Zeeman
    の実験に関する批評は
    Lerche, American Journal of Physics Vol. 45, p. 1154 (1977)
  3. Journal of Applied Physics 35, p. 2556 (1964)

を参照


IV. Trouton-Noble実験の反復実験:

Chase, Physical Review 28, p. 378 (1926)


V. Sagnac効果:

まとめの論文は、 アブストラクト[6]を参照。


VI. KTX実験の反復実験:

Hils and Hall, Physical Review Letters 64, p. 1697


VII. 光速が光源に依存しない事に関連して:

Koninklijke Akademie van Wetenschappen, vol 15, part 2, p.1297-1298 (1913)

Koninklijke Akademie van Wetenschappen, vol 16, part 1, p.395 - 396 (1913)
これらの文献はde Sitterによって執筆され、WEB上でも入手可能 
WWW:
http://ourworld.compuserve.com/homepages/eric_baird/p_sitt01.htm

この実験は、以下の文献で批判される。
J.G. Fox Am. Journal of Physics 30,297 (1962); 33, 1 (1964)

実験:

  1. Alvager F.J.M. Farley, J. Kjellman and I Wallin, Physics Letters 12, 260 (1964)
  2. Babcock and Bergmann, Journal Opt. Soc. Amer. Vol. 54, p. 147 (1964)
  3. Filipas and Fox, Phys. Rev. 135, 1071 B (1964)  
  4. K. Brecher, Is the Speed of Light Independent of the Velocity of the Source? Phys. Rev. Lett. 39 1051-1054, 1236(E) (1977)

VIII. 空間の等方性: Hughes Drever実験 ( 非常に正確な実験 )

  1. Hughes et al., Physical Review Letters 4, 342
  2. Drever, Philosophical Mag. 6, 683
  3. Prestage et al., Physical Review Letters 54, 2387 (1985)
  4. Lamoreaux et al., Physical Review Letters 57, 3125 (1986)
  5. Chupp et al., Physical Review Letters 63, 1541 (1989)

IX. 光速の等方性:

  1. Cedarholm, Havens, Towens, Physical Review Letters 1, p. 342
  2. Trimmer et al., Physics Review D Vol. 8, p. 3321 (1973)
    及び Physics Review D Vol 9, p. 2489 (1974)
  3. Riis et al., Physical Review Letters 60, p. 81 (1988)
  4. Krisher et al., Physical Review Letters 64, p. 1322 (1990)

X. 相対論的 質量−運動量相関:

電子:

  1. W Kaufmann, "Uber die Konstitution des Elektrons" Ann. Physik 19 ,495 (1906) ( first historical experiment)
  2. W. Kaufmann, "Uber die Konstitution des Elektrons", Sitzungsberichte der preussichen Akademie der Wissenschaften, 1915, Part 2.
    Kaufmann
    の実験及び彼のデータ解析に関する論文もいくつか存在する。 これについては、M.Planckの参考文献2と3を参照:
  3. M. Planck, "Die Kaufmannschen Messungen der Ablenkbarkeit der beta-Strahlen in ihrer Bedeutung fur die Dynamik der Electron", Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 8, 1906.
  4. M. Planck, "Nachtrag zu der Besprechung der Kaufmannschen Ablenkungsmessungen", Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 9, 1907.
  5. A.H. Bucherer, Phyz. Zeitschr. 9 (1908), p. 755; Ber. d. deutschen Phys. Ges. 6 (1908), p. 688.
    A. Bucherer, "Die experimentelle Bestatigung des Relativitatsprinzips", Annalen der Physik, 28, 1909.
  6. E. Hupka, Ann. Phys. 31 (1910), p. 169.
  7. Cl. Schaefer and G. Neumann, Phys. Zeitschr. 14 (1913), p. 1117.
  8. Ch.E. Guye and Ch. Lavanchy, Comptes rendus 161 (1915), p. 52.
  9. Rogers et al. Physical Review 57, p. 379 アブストラクト[19]
  10. Meyer et al. Helv. Physica Acta 36 , p. 981 (1963)
  11. W. Bertozzi in Am. J. Phys. 32, 551 (1964)

陽子:

Zrelov, Tiapkin, Farago Soviet Physics JETP, Vol.34, p.384 (1958)

科学教育の観点から、この実験の概要や説明は以下の文献を参照:
W. Bertozzi, Am. J. Phys. 32, 551 (1964)


XI. 横ドップラー効果:

  1. H.E. Ives and G.R. Stilwell, An Experimental Study of the Rate of a Moving Atomic Clock J. Opt. Soc. Am. 28 215-226 (1938)
    An Experimental Study of the Rate of a Moving Atomic Clock. II J. Opt. Soc. Am. 31 369-374 (1941)
  2. Otting, Physik. Zeitschr. 40 , 681 (1939)
  3. Hay, Schiffer et al. Physical Review Letters 4 , p. 165 (1960)
  4. Mandelberg and Witten: Journal Opt. Soc. Amer. 52, p. 529 (1962)
  5. Kuendig: Physical Review 129, p. 2371 (1963)
  6. Champeney, Isaak and Khan: Proc. Physical Soc. Vol. 85, p. 583 (1965)
  7. Olin et al.: Physical Review D , Vol. 8, p. 1633
  8. M. Kaivola, O. Poulsen, E. Riis and S.A. Lee, Measurement of the Relativistic Doppler Shift in Neon, Phys.Rev. Lett. 54 255-258 (1985)
  9. Zeitschrift fuer Physik A 342, p. 455 (1992)
  10. McGowan et al. , Physical Review Letters 70, p. 251 (1993)

XII. 時間収縮及び時計パラドックス:

4つの実験方法に分類される:

  • One way experiments
  • Experiments using the Moessbauer effect (メスバー効果を利用した実験)
  • Round trip experiments using elementary particles (素粒子の周回実験)
  • Experiments with macroscopic clocks (マクロ時計を使った実験)

 

A: One way実験:

1.       ミューオン: Rossi and Hoag, Physical Review 57, p. 461 (1940)
Rossi and Hall, Physical Review 59, p. 223 (1941)

静止状態の寿命について :
Rasetti, Physical Review 60, p. 198 (1941)
(first historical experiments)

2.       パイオン: Durbin, Loar and Havens, Physical Review 88, p. 179 (1952)

3.       D. Frisch and J. Smith, Measurement of the Relativistic Time Dilation Using Mesons Am. J. Phys. 31 (1963) 342.
適切な解説を与える文献 :
Terell, Nuovo Cimento 16 (1960) p. 457

 

B: Moessbauer効果を使った実験:

Pound Rebka, Physical Review Letters 4, p. 274
理論的解釈:
Josephson, Physical Review Letters 4, p. 341

 

C: 素粒子を使った周回実験:

1.       Older Experiments ( lower Gamma-Factor):
Farley et al., Nuovo Cimento Vol 45, p. 281 (1966)
together with Farley et al., Nature 217, p. 17 (1968),
Nuovo Cimento 9A, p. 369 (1972)

2.       Bailey et al., "Measurements of relativistic time dilatation for positive and negative muons in a circular orbit," Nature 268 (July 28, 1977) p. 301.
More details about this experiment can be found in:
Nuclear Physics B 150 p.1-79 (1979)
Measurement of the Muon lifetime at rest:
Meyer et al., Physical Review 132, p. 2693
Balandin et al. JETP 40, p. 811 (1974)
Bardin et al. Physics Letters 137B, p. 135 (1984)

 

D: マクロな時計を使った実験:

1.       Vessot, R.F.C. and Levine, M.W. 1979, "A Test of the Equivalence Principle Using a Space-borne Clock," Gel. Rel. Grav., 10, 181-204.
Vessot, R.F.C et.al., 1980, "Test of Relativistic Gravitation with a Space borne Hydrogen Maser" Phys. Rev. Lett. 45 2081-2084.

2.       Haefele-Keating Experiment: Around-the-World Atomic Clocks
Proposal: J. Haefele, Nature 227 (1970), p. 270
Experiment: Science Vol. 177 p. 166 - 170 (1972)
以下にHaefele-Keating実験データを示す:

ΔT (ナノ秒)

 

東方向

西方向

時計 120

-57

277

時計 361

-74

284

時計 408

-55

266

時計 447

-51

266

予想値

-40 +/-23

275 +/-21

3.       理論予想平均: GR + SR 効果
あくまで彼等のフィッティング方法及び時計の変動の見積もりに基づき導出されたもの:

: -66 nsec

西 : 205 nsec

これは平均値とよく一致する。

: -59 +/- 10 nsec

西 : 273 +/- 7 nsec

4.       C. Alley:
"Proper Time Experiments in Gravitational Fields with Atomic Clocks, Aircraft, and Laser Light Pulses," in Quantum Optics, Experimental Gravity, and Measurement Theory, eds. Pierre Meystre and Marlan O. Scully, Proceedings Conf. Bad Windsheim 1981, 1983 Plenum Press New York, ISBN 0-306-41354-X


XIII. その他の実験

熱量測定による特殊相対性理論の検証:
D.R. Walz, H.P. Noyes and R.L. Carezani, Physical Review A29 (1984), p. 2110

上限速度の有無による特殊相対性理論の検証:
Does E=mc2?
G.L. Greene et al., Physical Review D 44 (1991) R2216

ニュートリノの上限速度cに関する実験:

  1. Electron-Neutrinos : Physics Letters 201 ,p. 353 (1988)
    超新星 SN 1987A からのニュートリノを使った測定
  2. Muon-Neutrinos:
    Alspector, Physical Review Letters 36, p.837 (1976)
    Kalbfleisch et al., Physical Review Letters 43, p.1361 (1979)

g-2実験による特殊相対性理論の検証:

  1. F. Combley et al., Physical Review Letters 42 (1979), p. 1383
  2. P.S. Cooper et al,. Physical Review Letters 42 (1979), p. 1386