Hafele–Keating-kísérlet

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A Hafele–Keating-kísérlet a relativitáselmélet kísérleti ellenőrzése céljából végrehajtott kísérlet volt. J. C. Hafele és Richard E. Keating céziumsugaras atomórákat szállítottak utasszállító repülőgépen egyszer keleti, majd 9 nap múlva nyugati irányban a Föld körül. A kiindulási állomásra visszatérve leolvasták a repült órák eltéréseit a földi megfigyelőállomás (USNO) óráihoz képest.

Áttekintés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A speciális relativitáselmélet szerint két egymás mellől eltávolodó, majd ismét találkozó óra a találkozáskor eltérő időt mutathat (ld ikerparadoxon). Az eltérés szokványos sebességek esetén igen kicsi, ezért az elmélet ezen állításának közvetlen kísérleti kimutatása igen nagy pontosságú időmérést, és egymáshoz képest lehetőleg minél nagyobb sebességű mozgatást igyényel. Joseph C. Hafele és Richard E. Keating erre a feladatra vállalkozott 1971 októberében. Kísérletük során a repülőgéppel szállított atomórák járását egy másik, ugyancsak relativisztikus hatás is, a gravitációs idődilatáció is befolyásolta: az általános relativitáselmélet szerint a Föld felszínétől fölfelé haladva az órák valamivel egyre gyorsabban járnak.

A négy, előzőleg szinkronizált órát Washingtonból kiindulva autóval a repülőtérre szállították, majd innen 13-15 le és felszállással körberepülték a földet. A repülőgépeken lévő óráknak az USNO óráihoz viszonyított eltérés az alábbi volt.[1][2]

eltérés (ns)
számított mért
gravitációs
(általános relativitáselmélet)
kinematikus
(speciális relativitáselmélet)
összesen
Keleti irányú repülés 144 ± 14 ‒184 ± 18 ‒40 ± 23 ‒59 ± 10
Nyugati irányú repülés 179 ± 18 96 ± 10 275 ± 21 273 ± 7

A kísérlet publikált eredménye összhangban van az elmélettel és a megfigyelt eltérések szignifikánsak.

Képletek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elméleti értékek számítására Hafele és Keating az alábbi (elsőrendben közelítő) összefüggéseket használták

Kinematikus:

\Delta\tau_v = - \frac{1}{2c^2} \sum_{i=1}^{k}\left(2R\Omega v \cos \theta_i \cos \lambda_i + v_i^2 \right)\Delta\tau_i

Gravitációs:

\Delta\tau_g = \frac{g}{c^2} \sum_{i=1}^{k} h_i \Delta\tau_i

A teljes idődilatáció

\Tau = \Delta\tau_v + \Delta\tau_g \,

A képletekben R = a Föld sugara, h = repülési magasság, v = repülési sebesség abszolútértéke, \Omega = a Föld forgási szögsebessége, \theta = a repülés irányának a keleti irányhoz viszonyított szöge, \lambda = földrajzi szélesség. A paraméterek a repülés során változtak, ezért a repülést a kelet felé történő repülés során 125, a nyugati irány során 108 olyan intervallumra osztották, amelyeken a paramétereket állandónak tekintették. Az összegzés a repülés ezen szakaszaira történik.

Eredmények[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kiértékelés kritikája[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az eredményeket vitatja dr. A. G. Kelly[3][4], aki szerint a véglegesen publikált eredmények hibás módon való átlagolása eredményezhetett csak ilyen nagy pontosságot. Louis Essen, az atomóra feltalálója szintén közölt egy cikket[5], amelyben kifogásolta a kísérlet pontosságát.

A kifogások között szerepel, hogy a kapott mérési adatokat nem közölték, csupán egy grafikont amely azonban az eredeti mérési adatoktól nagyon erősen eltér.

A négy óra leolvasott eltérései:

  • keleti irányú utazás: − 196, − 54, + 166, − 97 nanosecundum
  • nyugati irányú utazás: + 413, − 44, + 101, + 26 nanosecundum

Az órák pontosságának menet közbeni változásai miatt az eredmények nagyon erősen szórtak, amelynek oka részben a szállítás körülményei, másrészt a kisebb, szállítható méretű órák relatív pontatlansága volt.

A problémákon Hafele és munkatársa úgy próbáltak segíteni, hogy az utazás periódusából időnként kiválasztottak egy-egy órát és azt a másik három óra átlagához igazították, mivel menet közben nem tudták összehasonlítani őket a földi állomás etalon idejével. Ez a módszer valójában egyetlen esetben sem lenne elfogadható de Hafele ezt a korrekciót 14 esetben hajtotta végre, s ez végül azt eredményezte, hogy például a keleti utazás egyik eredményét +166 ns-ról −55 ns-ra, míg a nyugati utazás −44 ns eredményét +284 nanosecundumra javította át, a korrekciók tehát óriásiak voltak.

A négyből egyetlenegy óra bizonyult stabilnak a teljes 26,5 napos mérési folyamat során, de nem ezt a viszonylag jó órát használták az eredmények kiszámításához, hanem ezt is beátlagolták a többi 3 órához. Ezen jobb minőségű óra eredményei nem támasztják alá a relativitáselmélet jóslatát, amely 40 ns késés keletre és +275 ns a nyugati utazáskor.

A kísérlet eredményeként a leközölt grafikonok alapján számított eltéréseket nem lehet a relativitáselmélet jósolta valóságos eltérések bizonyítékaként elfogadni az eszközölt korrekciók nagysága, gyakorisága miatt, amivel a mérési eredményeket néhol az ellenkezőjére változtatták, máshol nagyságrendi korrekciót vezettek be (pont a jónak mondható 447. számú óránál)

Az eltérések természetesen megvannak, ezt a GPS-rendszer naponta bizonyítja.

Hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Hafele, J., Keating, R. (1972. július 14.). „Around the world atomic clocks:predicted relativistic time gains”. Science 177 (4044), 166-168. o. DOI:10.1126/science.177.4044.166. Hozzáférés ideje: 2006. szeptember 18.  
  2. Hafele, J., Keating, R. (1972. július 14.). „Around the world atomic clocks:observed relativistic time gains”. Science 177 (4044), 168-170. o. DOI:10.1126/science.177.4044.168. Hozzáférés ideje: 2006. szeptember 18.  
  3. Kelly, A. G.. Reliability of Relativistic Effect Tests on Airborne Clocks. The Institution of Engineers of Ireland. ISBN 1-898012-22-9 (1996. Feb) 
  4. Kelly, A. G. (2000.). „Hafele and Keating Tests: Did They Prove Anything?”. Physics Essays 13, 616-621. o.  
  5. Louis, Essen (1988. oct). „Relativity – Joke or Swindle?”. Electronics and Wireless World 94, 126-127. o.  
  • M. Omerbashich, J of Air Transportation, 2002 7: 103-118, NASA-STI #20020041935

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]