Hughes-Drever-Experiment

^7Li-NMR-Spektrum von LiCl (1M) in D₂O. Die scharfe, ungeteilte NMR-Linie dieses Lithiumisotops ist ein Beleg für die Isotropie von Masse und Energie.

Hughes-Drever-Experimente (auch Uhrenvergleichs-, Uhrenanisotropie-, Massenisotropie- oder Energieisotropie-Experimente) werden zur spektroskopischen Überprüfung der Isotropie der Masse bzw. des Raumes eingesetzt. Diese Experimente testen grundlegende Aussagen sowohl der speziellen als auch der allgemeinen Relativitätstheorie. Wie bei den Michelson-Morley-Experimenten kann dadurch das Vorhandensein eines bevorzugten Bezugssystems oder Abweichungen von der Lorentzinvarianz überprüft werden, was auch die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips betrifft. Im Gegensatz zu Michelson-Morley beziehen sich Hughes-Drever-Experimente allerdings auf die Isotropie der Wechselwirkungen die Materie selbst, also von Protonen, Neutronen und Elektronen. Die dabei erzielte Genauigkeit macht diese Art von bis heute durchgeführten Experimenten mit zu den präzisesten Messungen der Relativitätstheorie überhaupt (vgl. Tests der speziellen Relativitätstheorie).[A 1] [A 2] [A 3] [A 4] [A 5] [A 6]

Experimente durch Hughes und Drever

Giuseppe Cocconi und Edwin Salpeter (1958) wiesen darauf hin, dass die Trägheit der Materie von der Verteilung der umliegenden Massen abhängt, wenn das Machsche Prinzip korrekt ist. Dies würde zu einer Anisotropie der Trägheit in verschiedenen Richtungen führen und könnte durch spektroskopische Beobachtung von Zeeman-Effekten in Atomkernen nachgewiesen werden.[1]

Vernon Hughes et al. (1960) und Ronald Drever (1961) führten nun unabhängig voneinander ähnliche Experimente durch. Dabei wurde der Kern von Lithium-7 herangezogen, dessen Grundzustand einen Spin von ^3⁄₂ besitzt, und es werden dadurch in einem Magnetfeld vier magnetische Energieniveaus in Übereinstimmung mit der erlaubten Magnetquantenzahl existieren. Bei Massenisotropie tritt keine Verschiebung der Energieniveaus auf und folglich sollte nur eine einzige Resonanzlinie existieren, bei Anisotropie gibt es eine Triplettresonanzlinie oder eine Verbreiterung. Es wurde tatsächlich keine Frequenzverschiebung der Energieniveaus gefunden, wobei aufgrund der großen Genauigkeit die maximale Anisotropie auf 0,04 Hz = 10^−25 GeV eingeschränkt werden konnte.[2] [3]

Robert H. Dicke (1961) konnte allerdings zeigen, dass das Nullresultat durchaus mit dem Machschen Prinzip verträglich ist, solange die räumliche Anisotropie für alle Teilchen gleich ist. Das Nullresultat zeigt also, dass die Massenanisotropieeffekte, sofern sie existieren, für alle Teilchen gleich und folglich lokal nicht beobachtbar sind.[4][5]

Moderne Interpretation

Während dieses Experiment ursprünglich auf das Machsche Prinzip bezogen wurde, wird es in modernen Arbeiten vielfach als wichtige Überprüfung der Lorentzinvarianz und somit der speziellen Relativitätstheorie interpretiert. Denn Anisotropieeffekte müssen auch bei Vorhandensein eines bevorzugten Bezugssystems (gewöhnlich das CMB-Ruhesystem als Äther) vorliegen, deshalb können die negativen Ergebnisse des Hughes-Drever-Experiments – wie die Michelson-Morley-Experimente – als Widerlegungen der Existenz eines solchen Systems angesehen werden. Im Besonderen konnten die Physiker Mark P. Haugan und Clifford Will zeigen, dass diese Experimente als Überprüfungen der Frage interpretiert werden können, ob die Grenzgeschwindigkeit der Materie mit der Lichtgeschwindigkeit übereinstimmt wie von der speziellen Relativitätstheorie gefordert. Stimmen sie nicht überein, ändern sich auch die Eigenschaften und Frequenzen der Wechselwirkungen der Materie. Und da es eine Grundaussage des Äquivalenzprinzips der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass lokal in frei fallenden Bezugssystemen die Lorentzinvarianz gültig ist = Lokale Lorentzinvarianz (LLI), betreffen die Ergebnisse dieses Experiments sowohl die spezielle als auch die allgemeine Relativitätstheorie.[A 1][A 2]

Aufgrund der Tatsache, dass hier unterschiedliche Frequenzen verglichen werden, und diese wiederum als Uhren aufgefasst werden können, werden diese Experimente auch als "clock comparison"-(Uhrenvergleichs)-Experimente bezeichnet.[A 3][A 4]

Neuere Experimente

Neben Verletzungen der Lorentzinvarianz durch das Vorhandensein eines bevorzugten Bezugssystems oder dem Machschen Prinzip, sind im Zuge der Entwicklungen zur Quantengravitation auch mögliche spontane Brechungen der Lorentzinvarianz und damit zusammenhängend des CPT-Theorems in das Blickfeld geraten. Zur Überprüfung aller dieser Effekte werden bis heute immer genauere Variationen der ursprünglichen Experimente durchgeführt. Diese Messungen beziehen sich auf Neutronen und Protonen, und durch den Einsatz von spinpolarisierten Systemen und Komagnetometern (wodurch magnetische Einflüsse unterdrückt werden können) konnte die Genauigkeit erheblich gesteigert werden. Zusätzlich wird unter Zuhilfenahme von spinpolarisierten Torsionswaagen auch der Elektronen-Sektor überprüft.[A 5][A 6]

Alle Ergebnisse waren bislang negativ, sodass weiterhin kein Hinweis auf die Existenz eines bevorzugten Bezugssystems bzw. einer anderweitigen Verletzung der Lorentzinvarianz vorliegt. Die Werte folgender Tabelle beziehen sich auf die Parameter, welche durch die Standardmodellerweiterung (SME, eine der Testtheorien der speziellen Relativitätstheorie) vorgegeben wird. Dieses Modell enthält für jede Abweichung von der Lorentzinvarianz diverse Parameter. Da in jedem dieser Experimente eine Reihe von Parametern überprüft wird, wird hier nur der Wert der maximalen Sensitivität wiedergegeben (für die genaue Aufstellung siehe die Einzelartikel):[A 3][A 7][A 4]

Autor	Jahr	SME-Grenzen			Beschreibung
		Proton	Neutron	Elektron
Prestage et al.[6]	1985		10^−27		Der nukleare Spin-Flip-Übergang von ^9Be^+ (gespeichert in einer Penning-Falle gespeichert) wird mit einer Wasserstoff-Maser-Uhr verglichen.
Phillips[7]	1987			10^−27	Sinusförmige Oszillationen werden untersucht unter Benutzung einer kryogenischen Spin-Torsionswaage, die einen transversal polarisierten Magneten trägt.
Lamoreaux et al.[8]	1989		10^−29		Es wurden dipolare und quadrupolare Spinpolarisationen in ein ^201Hg-Gas induziert, und nach Variationen gesucht.
Chupp et al.[9]	1989		10^−27		Es wurde nach zeitabhängigen quadrupolaren Aufspaltungen des Zeemanniveaus geforscht. ^21Ne- und ^3He-Gase werden durch Spinausstausch polarisiert und miteinander verglichen.
Wineland et al.[10]	1991			10^−25	Anomale Dipol-Monopol- und Dipol-Dipol-Kopplungen werden untersucht, indem die hyperfeinen Resonanzen in ^9Be^+ erforscht werden.
Wang et al.[11]	1993			10^−27	Eine Spin-Torsionswaage, die eine spinpolarisierte Dy6Fe23-Masse trägt, wird nach siderischen Variationen untersucht.
Berglund et al.[12]	1995	10^−27	10^−30	10^−27	Die Frequenzen von ^199Hg und ^133Cs werden verglichen durch Anwendung eines Magnetfeldes.
Bear et al.[13]	2000		10^−31		Die Frequenzen von ^129Xe- und ^3He-Zeemanmasern werden verglichen.
Phillips et al.[14]	2000	10^−27			Die Zeemanfrequenz wird mit einem Wasserstoffmaser ermittelt.
Humphrey et al.[15]	2003	10^−27		10^−27	Siehe Phillips et al. (2000).
Hou et al.[16]	2003			10^−29	Siehe Wang et al. (1993).
Canè et al.[17]	2004		10^−32		Siehe Bear et al. (2000).
Wolf et al.[18]	2006	10^−25			Atomare Frequenzen werden gemessen durch Benutzung von lasergekühlten ^133Cs-Atomfontänen.
Heckel et al.[19]	2006			10^−30	Es wurde eine Spin-Torsionswaage benutzt, bestehend aus vier Abschnitten aus Alnico und vier Abschnitten aus Sm5Co.
Heckel et al.[20]	2008			10^−31	Siehe Heckel et al. (2006).
Altarev et al.[21]	2009		10^−29		Die Spin-Präzessionsfrequenzen in gespeicherten ultrakalten Neutronen und 199Hg werden analysiert.
Brown et al.[22]	2010	10^−32	10^−33		Die Frequenzen in einem K-/^3He-Komagnetometer werden verglichen.
Gemmel et al.[23]	2010		10^−32		Die Frequenzen in einem ^129Xe / ^3He Komagnetometer werden verglichen.
Smiciklas et al.[24]	2011		10^−29		Die Frequenzen in einem ^21Ne / Rb-/K-Komagnetometer werden verglichen. Test der Grenzgeschwindigkeit von Neutronen.
Peck et al.[25]	2012	10^−30	10^−31		Ähnlich wie Berglund et al. (1995).
Hohensee et al.[26]	2013			10^−17	Messungen der Übergangsfrequenzen zweier annähernd entarteter Zustände von ^164Dy und ^162Dy. Test der Grenzgeschwindigkeit von Elektronen.
Allmendinger et al.[27]	2013		10^−34		Siehe Gemmel et al. (2010).

Einzelnachweise

Übersichtsliteratur:

1. Will, C. M.: The Confrontation between General Relativity and Experiment. In: Living Reviews in Relativity. 9. Jahrgang, Nr. 3, 2006 (livingreviews.org [abgerufen am 23. Juni 2011]). 
2. Will, C. M.: Stable clocks and general relativity. In: Proceedings of the 30th Rencontres de Moriond. 1995, S. 417, arxiv:gr-qc/9504017. 
3. Kostelecký, V. Alan; Lane, Charles D.: Constraints on Lorentz violation from clock-comparison experiments. In: Physical Review D. 60. Jahrgang, Nr. 11, 1999, S. 116010, doi:10.1103/PhysRevD.60.116010, arxiv:hep-ph/9908504. 
4. Mattingly, David: Modern Tests of Lorentz Invariance. In: Living Rev. Relativity. 8. Jahrgang, Nr. 5, 2005 (livingreviews.org). 
5. Pospelov, Maxim; Romalis, Michael: Lorentz Invariance on Trial. In: Physics Today. 57. Jahrgang, Nr. 7, 2004, S. 40–46, doi:10.1063/1.1784301 (physics.princeton.edu (Memento des Originals vom 2. Januar 2022 im Internet Archive) [abgerufen am 25. Mai 2011]). 
6. Walsworth, R.L.: Tests of Lorentz Symmetry in the Spin-Coupling Sector. In: Lecture Notes in Physics. 702. Jahrgang, 2006, S. 493–505, doi:10.1007/3-540-34523-X_18 (harvard.edu [PDF]). 
7. Hou, Li-Shing; Ni, Wei-Tou; Li, Yu-Chu M.: Test of Cosmic Spatial Isotropy for Polarized Electrons Using a Rotatable Torsion Balance. In: Physical Review Letters. 90. Jahrgang, Nr. 20, 2003, S. 201101, doi:10.1103/PhysRevLett.90.201101, arxiv:physics/0009012. 

Quellen für Werteanagaben:

1. Cocconi, G.; Salpeter E.: A search for anisotropy of inertia. In: Il Nuovo Cimento. 10. Jahrgang, Nr. 4, 1958, S. 646–651, doi:10.1007/BF02859800. 
2. Hughes, V. W.; Robinson, H. G.; Beltran-Lopez, V.: Upper Limit for the Anisotropy of Inertial Mass from Nuclear Resonance Experiments. In: Physical Review Letters. 4. Jahrgang, Nr. 7, 1960, S. 342–344, doi:10.1103/PhysRevLett.4.342. 
3. Drever, R. W. P.: A search for anisotropy of inertial mass using a free precession technique. In: Philosophical Magazine. 6. Jahrgang, Nr. 65, 1961, S. 683–687, doi:10.1080/14786436108244418. 
4. Dicke, R. H.: Experimental Tests of Mach's Principle. In: Physical Review Letter. 7. Jahrgang, Nr. 9, 1961, S. 359–360, doi:10.1103/PhysRevLett.7.359. 
5. Dicke, R. H.: The Theoretical Significance of Experimental Relativity. Gordon and Breach, 1964. 
6. Prestage, J. D.; Bollinger, J. J.; Itano, W. M.; Wineland, D. J.: Limits for spatial anisotropy by use of nuclear-spin-polarized Be-9(+) ions. In: Physical Review Letters. 54. Jahrgang, 1985, S. 2387–2390, doi:10.1103/PhysRevLett.54.2387, bibcode:1985PhRvL..54.2387P. 
7. Phillips, P. R.: Test of spatial isotropy using a cryogenic spin-torsion pendulum. In: Physical Review Letter. 59. Jahrgang, Nr. 5, 1987, S. 1784–1787, doi:10.1103/PhysRevLett.59.1784, bibcode:1987PhRvL..59.1784P. 
8. Lamoreaux, S. K.; Jacobs, J. P.; Heckel, B. R.; Raab, F. J.; Fortson, E. N.: Optical pumping technique for measuring small nuclear quadrupole shifts in 1S(0) atoms and testing spatial isotropy. In: Physical Review A. 39. Jahrgang, 1989, S. 1082–1111, doi:10.1103/PhysRevA.39.1082, bibcode:1989PhRvA..39.1082L. 
9. Chupp, T. E.; Hoare, R. J.; Loveman, R. A.; Oteiza, E. R.; Richardson, J. M.; Wagshul, M. E.; Thompson, A. K.: Results of a new test of local Lorentz invariance: A search for mass anisotropy in 21Ne. In: Physical Review Letters. 63. Jahrgang, Nr. 15, 1989, S. 1541–1545, doi:10.1103/PhysRevLett.63.1541, bibcode:1989PhRvL..63.1541C. 
10. Wineland, D. J.; Bollinger, J. J.; Heinzen, D. J.; Itano, W. M.; Raizen, M. G.: Search for anomalous spin-dependent forces using stored-ion spectroscopy. In: Physical Review Letters. 67. Jahrgang, Nr. 13, 1991, S. 1735–1738, doi:10.1103/PhysRevLett.67.1735, bibcode:1991PhRvL..67.1735W. 
11. Wang, Shih-Liang; Ni, Wei-Tou; Pan, Sheau-Shi: New Experimental Limit on the Spatial Anisotropy for Polarized Electrons. In: Modern Physics Letters A. 8. Jahrgang, Nr. 39, 1993, S. 3715–3725, doi:10.1142/S0217732393003445, bibcode:1993MPLA....8.3715W. 
12. Berglund, C. J.; Hunter, L. R.; Krause, D., Jr.; Prigge, E. O.; Ronfeldt, M. S.; Lamoreaux, S. K.: New Limits on Local Lorentz Invariance from Hg and Cs Magnetometers. In: Physical Review Letters. 75. Jahrgang, Nr. 10, 1995, S. 1879–1882, doi:10.1103/PhysRevLett.75.1879, bibcode:1995PhRvL..75.1879B. 
13. Bear, D.; Stoner, R. E.; Walsworth, R. L.; Kostelecký, V. Alan; Lane, Charles D.: Limit on Lorentz and CPT Violation of the Neutron Using a Two-Species Noble-Gas Maser. In: Physical Review Letters. 85. Jahrgang, Nr. 24, 2000, S. 5038–5041, doi:10.1103/PhysRevLett.85.5038, arxiv:physics/0007049, bibcode:2000PhRvL..85.5038B. 
14. Phillips, D. F.; Humphrey, M. A.; Mattison, E. M.; Stoner, R. E.; Vessot, R. F.; Walsworth, R. L.: Limit on Lorentz and CPT violation of the proton using a hydrogen maser. In: Physical Review D. 63. Jahrgang, Nr. 11, 2000, S. 111101, doi:10.1103/PhysRevD.63.111101, arxiv:physics/0008230, bibcode:2001PhRvD..63k1101P. 
15. Humphrey, M. A.; Phillips, D. F.; Mattison, E. M.; Vessot, R. F.; Stoner, R. E.; Walsworth, R. L.: Testing CPT and Lorentz symmetry with hydrogen masers. In: Physical Review A. 68. Jahrgang, Nr. 6, 2003, S. 063807, doi:10.1103/PhysRevA.68.063807, arxiv:physics/0103068, bibcode:2003PhRvA..68f3807H. 
16. Hou, Li-Shing; Ni, Wei-Tou; Li, Yu-Chu M.: Test of Cosmic Spatial Isotropy for Polarized Electrons Using a Rotatable Torsion Balance. In: Physical Review Letters. 90. Jahrgang, Nr. 20, 2003, S. 201101, doi:10.1103/PhysRevLett.90.201101, arxiv:physics/0009012, bibcode:2003PhRvL..90t1101H. 
17. Canè, F.; Bear, D.; Phillips, D. F.; Rosen, M. S.; Smallwood, C. L.; Stoner, R. E.; Walsworth, R. L.; Kostelecký, V. Alan: Bound on Lorentz and CPT Violating Boost Effects for the Neutron. In: Physical Review Letters. 93. Jahrgang, Nr. 23, 2004, S. 230801, doi:10.1103/PhysRevLett.93.230801, arxiv:physics/0309070, bibcode:2004PhRvL..93w0801C. 
18. Wolf, P.; Chapelet, F.; Bize, S.; Clairon, A.: Cold Atom Clock Test of Lorentz Invariance in the Matter Sector. In: Physical Review Letters. 96. Jahrgang, Nr. 6, 2006, S. 060801, doi:10.1103/PhysRevLett.96.060801, arxiv:hep-ph/0601024, bibcode:2006PhRvL..96f0801W. 
19. Heckel, B. R.; Cramer, C. E.; Cook, T. S.; Adelberger, E. G.; Schlamminger, S.; Schmidt, U.: New CP-Violation and Preferred-Frame Tests with Polarized Electrons. In: Physical Review Letters. 97. Jahrgang, Nr. 2, 2006, S. 021603, doi:10.1103/PhysRevLett.97.021603, arxiv:hep-ph/0606218, bibcode:2006PhRvL..97b1603H. 
20. Heckel, B. R.; Adelberger, E. G.; Cramer, C. E.; Cook, T. S.; Schlamminger, S.; Schmidt, U.: Preferred-frame and CP-violation tests with polarized electrons. In: Physical Review D. 78. Jahrgang, Nr. 9, 2008, S. 092006, doi:10.1103/PhysRevD.78.092006, arxiv:0808.2673, bibcode:2008PhRvD..78i2006H. 
21. Altarev, I. et al.: Test of Lorentz Invariance with Spin Precession of Ultracold Neutrons. In: Physical Review Letters. 103. Jahrgang, Nr. 8, 2009, S. 081602, doi:10.1103/PhysRevLett.103.081602, arxiv:0905.3221, bibcode:2009PhRvL.103h1602A. 
22. Brown, J. M.; Smullin, S. J.; Kornack, T. W.; Romalis, M. V.: New Limit on Lorentz- and CPT-Violating Neutron Spin Interactions. In: Physical Review Letters. 105. Jahrgang, Nr. 15, 2010, S. 151604, doi:10.1103/PhysRevLett.105.151604, arxiv:1006.5425, bibcode:2010PhRvL.105o1604B. 
23. Gemmel, C.; Heil, W.; Karpuk, S.; Lenz, K.; Sobolev, Yu.; Tullney, K.; Burghoff, M.; Kilian, W.; Knappe-Grüneberg, S.; Müller, W.; Schnabel, A.; Seifert, F.; Trahms, L.; Schmidt, U.: Limit on Lorentz and CPT violation of the bound neutron using a free precession He3/Xe129 comagnetometer. In: Physical Review D. 82. Jahrgang, Nr. 11, 2010, S. 111901, doi:10.1103/PhysRevD.82.111901, arxiv:1011.2143, bibcode:2010PhRvD..82k1901G. 
24. M. Smiciklas et al.: New Test of Local Lorentz Invariance Using a 21Ne-Rb-K Comagnetometer. In: Physical Review Letters. 107. Jahrgang, Nr. 17, 2011, S. 171604, doi:10.1103/PhysRevLett.107.171604, arxiv:1106.0738, bibcode:2011PhRvL.107q1604S. 
25. Peck et al.: New Limits on Local Lorentz Invariance in Mercury and Cesium. In: Physical Review A. 86. Jahrgang, Nr. 1, 2012, S. 012109, doi:10.1103/PhysRevA.86.012109, arxiv:1205.5022. 
26. Hohensee et al.: Limits on violations of Lorentz symmetry and the Einstein equivalence principle using radio-frequency spectroscopy of atomic dysprosium. In: Physical Review Letters. 111. Jahrgang, Nr. 5, 2013, S. 050401, doi:10.1103/PhysRevLett.111.050401, arxiv:1303.2747. 
27. Allmendinger et al.: New limit on Lorentz and CPT violating neutron spin interactions using a free precession 3He-129Xe co-magnetometer. In: Physical Review Letters. 112. Jahrgang, Nr. 11, 2013, S. 110801, doi:10.1103/PhysRevLett.112.110801, arxiv:1312.3225. 

Weblinks

• T. Roberts, S. Schleif: What is the experimental basis of Special Relativity? In: Relativity FAQ. 2007.