Forskere bruger optiske data til at afsløre grundtiden for rumtiden i roterende rammer

Et af de mest grundlæggende strukturelle aspekter af relativistisk rumtid er beskrivelsen af, hvordan tid og afstande ændres af bevægelse. Teorien om speciel relativitet beskriver en rumtidsramme for lineær konstant bevægelse, hvor tiden udvides og længden trækker sig sammen som reaktion på bevægelse. Denne ramme er beskrevet af Lorentz-transformationen, som omfatter matematiske formler, der beskriver, hvordan tid og afstand ændres mellem bevægelige referencerammer. Lorentz-transformationen beskriver også, hvordan en stationær observatør ser tiden i den bevægelige ramme for at blive forskudt med afstanden. Forskydningen af ​​tid med afstanden mellem referencerammer genererer differentiel samtidighed, hvor begivenheder, der er samtidige for en observatør, ikke vil være samtidige for en anden observatør, der bevæger sig i forhold til den første observatør.

Karakteren af ​​rumtid i roterende rammer er ikke blevet etableret på det mest fundamentale niveau for at definere den transformation, der nøjagtigt beskriver de relativistiske effekter og simultanitetsrammen. Der er fire forskellige rotationsrelativistiske transformationer i litteraturen:metoden Langevin; Efter transformation; Franklin transformation; og den absolutte Lorentz-transformation (ALT) i sin rotationsform. Bestemmelse af hvilken transformation, der præcist beskriver eksperimentelle data, ville angive den rumtidige ramme, der er til stede i virkelige roterende rammer. At forstå disse grundlæggende oplysninger har bred anvendelighed, fordi størstedelen af ​​det synlige stof i universet er i rotationsbevægelse, inklusive den roterende Jord.

Den mest citerede rotationstransformation er metoden Langevin, som første gang blev beskrevet i 1921. I løbet af årtierne, Langevin-metrikken er blevet brugt til at beskrive relativitet i roterende rammer i hundredvis af lærebøger og forskningsartikler. Imidlertid, Langevin -metriken er aldrig blevet vurderet med eksperimentelle data, der har tilstrækkelig opløsning til at skelne den fra de andre store rotationsomdannelser.

En transformations kombination af relativistiske effekter og samtidighedsrammer påvirker, hvordan lys formerer sig. De fire transformationer har forskellige forudsigelser for lyset i envejs-hastigheder med roterende rammer, tovejs lyshastighed, og Sagnac-effekten. Denne undersøgelse udleder de optiske forudsigelser for hver transformation direkte fra deres transformationsligninger, med flere af forudsigelserne, der ikke tidligere er rapporteret i litteraturen. Forudsigelserne sammenlignes derefter med nyere optiske eksperimentelle data i høj opløsning.

Optiske resonatordata om lysets tovejshastighed er blandt de videnskabelige målinger med højeste opløsning, med beslutninger på 10 ^-18 . Denne høje opløsning er nødvendig for at skelne mellem forudsigelserne af transformationerne. Undersøgelsen afslører, at ALT og Franklin-transformationen forudsiger lysets konstante tovejshastighed, c, matcher de optiske resonatordata, mens Langevin-metrikken og Post-transformationsforudsigelserne er ugyldige af dataene. Den manglende Langevin-metriske og Post-transformation til at matche optiske resonatordata er vist at skyldes, at de ikke udviser nogen (eller ingen netto) længdekontraktion i den roterende ramme. I modsætning, ALT og Franklin transformationer udviser længdekontraktion, som tillader deres nøjagtige forudsigelser for lysets tovejshastighed.

Data om Sagnac-effekten, som har lavere opløsninger på 10 ^-8 , er kompatibel med Sagnac-effektforudsigelserne af Langevin-metrikken, Stolpe, og ALT-transformationer, men er uforenelig med Franklin -transformationen, som forudsiger ingen Sagnac -effekt. Franklin -transformationens manglende evne til at generere en åbenlys Sagnac -effekt viser sig at skyldes dens inkorporering af differentiel samtidighed. I modsætning, de andre tre transformationer inkorporerer absolut samtidighed, hvor tiden ikke forskydes med afstanden, som tillader åbenlyse Sagnac-effekter. Dermed, ALT er den eneste transformation, der nøjagtigt beskriver hele rækken af ​​relativistiske optiske data.

Flere publikationer har foreslået mekanismer til at inkorporere differentiel simultanitet i roterende rammer for at tillade generering af en åbenlys Sagnac-effekt. Imidlertid, disse mekanismer genererer alternative Sagnac-effektligninger. Undersøgelsen viser, at disse alternative Sagnac-effektligninger indebærer to-vejs lyshastigheder, der er ugyldige af de højopløselige optiske resonatordata. I modsætning, ALT forudsiger den konventionelle Sagnac-effekt, hvilket indebærer den konstante to-vejs lyshastighed, c.

Undersøgelsen viser, at ALT-rotationstransformationen præcist forudsiger både optiske data i høj opløsning og ikke-optiske relativistiske observationer med roterende rammer. Denne analyse indebærer, at ALT-rotationstransformationen beskriver den grundlæggende ramme for rumtid i roterende rammer. Dette tydeliggør, at rumtid med roterende ramme er karakteriseret ved de relativistiske effekter af tidsudvidelse og længdekontraktion inden for en absolut simultanitetsramme, hvor tiden ikke er forskudt med afstanden.