Das Pound-Rebka-Experiment ist ein bekanntes Experiment, um Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Es wurde 1959 von Robert Pound und seinem Doktoranden Glen A. Rebka Jr. [1] vorgeschlagen und war der letzte der klassischen Relativitätstests, der (im selben Jahr) verifiziert wurde. Es ist ein Gravitationsrotverschiebungsexperiment, das die Rotverschiebung des Lichts misst, das sich in einem Gravitationsfeld bewegt, oder gleichermaßen ein Test der allgemeinen Relativitätsvorhersage, dass Uhren an verschiedenen Stellen in einem Gravitationsfeld mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen sollten. Es wird als das Experiment betrachtet, das eine Ära der Präzisionstests der allgemeinen Relativitätstheorie einleitete.
Überblick [ edit ]
Betrachten Sie ein Elektron, das in einem angeregten Zustand an ein Atom gebunden ist. Wenn das Elektron einen Übergang vom angeregten Zustand in einen Zustand niedrigerer Energie durchmacht, emittiert es ein Photon mit einer Frequenz, die der Energiedifferenz zwischen dem angeregten Zustand und dem Zustand niedrigerer Energie entspricht. Der umgekehrte Vorgang wird auch stattfinden: Wenn sich das Elektron im Zustand niedrigerer Energie befindet, kann es in den angeregten Zustand übergehen, indem ein Photon für diesen Übergang bei der Resonanzfrequenz absorbiert wird. In der Praxis muss die Photonenfrequenz nicht genau die Resonanzfrequenz sein, sondern muss in einem engen Frequenzbereich liegen, der auf der Resonanzfrequenz zentriert ist: Ein Photon mit einer Frequenz außerhalb dieses Bereichs kann das Elektron nicht zum angeregten Zustand anregen.
Betrachten wir nun zwei Kopien dieses Elektronen-Atomsystems, eine im angeregten Zustand (der Emitter), die andere im niederenergetischen Zustand (der Empfänger). Wenn die beiden Systeme relativ zueinander stationär sind und der Abstand zwischen ihnen flach ist (d. H., Wir vernachlässigen Gravitationsfelder), kann das vom Emitter emittierte Photon von dem Elektron im Empfänger absorbiert werden. Befinden sich die beiden Systeme jedoch in einem Gravitationsfeld, kann das Photon auf seinem Weg vom ersten zum zweiten System eine Rotationsverschiebung durch die Gravitation erfahren, was dazu führt, dass die vom Empfänger beobachtete Photonenfrequenz sich von der Frequenz unterscheidet, die der Emitter im Moment beobachtet hat ursprünglich ausgestrahlt. Eine weitere mögliche Rotverschiebungsquelle ist der Dopplereffekt: Wenn die beiden Systeme nicht stationär zueinander sind, wird die Photonenfrequenz durch die Relativgeschwindigkeit zwischen ihnen verändert.
Im Pound-Rebka-Experiment wurde der Emitter oben auf einem Turm platziert, der Empfänger unten. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass das Gravitationsfeld der Erde dazu führt, dass ein nach unten (in Richtung Erde) emittiertes Photon entsprechend der folgenden Formel (dh seine Frequenz nimmt zu) blau verschoben wird (d. H. Seine Frequenz steigt).
wobei () ist die Frequenz des Empfängers (Sender), h ist der Abstand zwischen Empfänger und Sender, M ist die Masse der Erde, R ist der -Radius der Erde, G ist Newtons Konstante und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Um dem Effekt der Gravitations-Blueshift entgegenzuwirken, wurde der Sender nach oben (vom Empfänger weg) bewegt, wodurch die Photonenfrequenz gemäß der Doppler-Verschiebungsformel rotverschoben wurde:
![{ displaystyle f_ {r} = { sqrt { frac {1-v / c} {1 + v / c}}} f_ {e},} [19659066] wobei <i> v </i> die Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger ist. Pound und Rebka variierten die Relativgeschwindigkeit <i> v </i>so dass die Doppler-Rotverschiebung die Gravitations-Blueshift genau aufhebte:<br/></p><br/><dl><dd><span class=](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/323deb4d7df9ffc05a150aeb65a87906a9c9b847)
In diesem Fall des Pound-Rebka-Experiments . Deshalb:
- = 7,5 × 10 -7 m / s
Im allgemeineren Fall, wenn h R oben ist nicht mehr wahr.
Die Energie, die mit der Rotverschiebung der Schwerkraft über eine Entfernung von 22,5 Metern verbunden ist, ist sehr gering. Die gebrochene Änderung der Energie ist durch gegeben
E / E ist gleich gh / c 2 = 2,5 × 10 -15 ]. Daher sind kurzwellige Hochenergiephotonen erforderlich, um solche winzigen Unterschiede zu erfassen. Die 14 keV-Gammastrahlen, die Eisen-57 beim Übergang in seinen Grundzustand aussendet, erwiesen sich für dieses Experiment als ausreichend.
Normalerweise bewegt sich ein Atom, wenn ein Atom ein Photon emittiert oder absorbiert, auch ein wenig (rückspringt), was dem Photon aufgrund des Impulserhaltungsprinzips etwas Energie entzieht.
Die zur Kompensation dieses Rückstoßeffekts erforderliche Doppler-Verschiebung wäre viel größer (etwa 5 Größenordnungen) als die Doppler-Verschiebung, die erforderlich ist, um die Rotationsverschiebung der Schwerkraft auszugleichen. 1958 berichtete Rudolf Mössbauer, dass alle Atome in einem festen Gitter die Rückstoßenergie absorbieren, wenn ein einzelnes Atom in dem Gitter einen Gammastrahl abgibt. Daher bewegt sich das emittierende Atom sehr wenig (so wie eine Kanone keinen starken Rückstoß erzeugt, wenn sie beispielsweise mit Sandsäcken verspannt wird).
Dies ermöglichte es Pound und Rebka, ihr Experiment als Variation der Mössbauer-Spektroskopie aufzubauen.
Der Test wurde im Jefferson-Labor der Harvard University durchgeführt. Eine feste Probe, die Eisen ( 57 Fe) emittierte, das Gammastrahlen emittierte, wurde in die Mitte eines Lautsprecherkegels gestellt, der sich in der Nähe des Daches des Gebäudes befand. Eine weitere Probe mit 57 Fe wurde in den Keller gestellt. Die Entfernung zwischen Quelle und Absorber betrug 22,5 Meter. Die Gammastrahlen wanderten durch einen mit Helium gefüllten Mylarbeutel, um die Streuung der Gammastrahlen zu minimieren. Ein Szintillationszähler wurde unterhalb der aufnehmenden Fe-Probe 57 angeordnet, um die Gammastrahlen zu erfassen, die von der aufnehmenden Probe nicht absorbiert wurden. Durch Vibrieren des Lautsprecherkegels bewegte sich die Gammastrahlenquelle mit variierender Geschwindigkeit, wodurch unterschiedliche Dopplerverschiebungen erzeugt wurden. Wenn die Doppler-Verschiebung die Gravitations-Blueshift aufhebt, absorbiert die empfangene Probe Gammastrahlen, und die Anzahl der Gammastrahlen, die vom Szintillationszähler erfasst wird, fällt entsprechend ab. Die Schwankung der Absorption könnte mit der Phase der Lautsprecherschwingung, also der Geschwindigkeit der emittierenden Probe und damit der Dopplerverschiebung, korrelieren. Um mögliche systematische Fehler zu kompensieren, variierten Pound und Rebka die Lautsprecherfrequenz zwischen 10 Hz und 50 Hz, tauschten Quelle und Absorber-Detektor aus und verwendeten verschiedene Lautsprecher (ferroelektrische und magnetische Spulen mit beweglicher Spule). [2] Der Grund für den Austausch des Systems Die Position des Absorbers und des Detektors verdoppelt den Effekt. Pfund zog zwei experimentelle Ergebnisse ab:
(1) die Frequenzverschiebung mit der Quelle an der Turmspitze
(2) die Frequenzverschiebung mit der Quelle am unteren Rand des Turms
Die Frequenzverschiebung für die beiden Fälle hat dieselbe Größe, aber entgegengesetzte Vorzeichen. Beim Abziehen der Ergebnisse erzielten Pound und Rebka ein doppelt so großes Ergebnis wie für das Einwegversuch.
Das Ergebnis bestätigte, dass die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie bei 10% bestätigt wurden. [3] Dies wurde später von Pound und Snider auf über 1% verbessert. [4] [19659007] Ein weiterer Test mit einem im Weltraum befindlichen Wasserstoffmaser erhöhte die Genauigkeit der Messung auf etwa 10 -4 (0,01%). [5]
Referenzen [ edit ] 19659132] Externe Links [ edit ]
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