Kaufman-Bucherer-Neumannovy experimenty měřily závislost setrvačné hmoty (nebo hybnosti ) objektu na jeho rychlosti . Historický význam této série experimentů, provedených různými fyziky v letech 1901 až 1915, je způsoben skutečností, že výsledky byly použity k testování předpovědí speciální teorie relativity . Vývoj přesnosti a analýzy dat těchto experimentů a následný dopad na teoretickou fyziku v těchto letech je stále předmětem aktivní historické debaty, protože rané experimentální výsledky zpočátku odporovaly Einsteinově právě publikované teorii , ale pozdější verze tohoto experimentu to potvrdily. Moderní experimenty tohoto druhu viz Testy relativistické energie a hybnosti , obecné informace viz Experimentální ověření speciální teorie relativity .
V roce 1896 Henri Becquerel objevil radioaktivní rozpad řady chemických prvků . Následně bylo zjištěno, že beta záření z těchto prvků je složeno ze záporně nabitých částic . Později byly tyto částice identifikovány s elektronem , objeveným v experimentech s katodovými paprsky J. J. Thomsonem v roce 1897.
Zájem byl spojen s teoretickou předpovědí elektromagnetické hmoty od J. J. Thomsona v roce 1881, který ukázal, že elektromagnetická energie přispívá k hmotnosti pohybujícího se nabitého tělesa [1] . Thomson (1893) a George Frederick Charles Searle (1897) také vypočítali, že tato hmotnost závisí na rychlosti a že se stává nekonečně velkou, když se těleso pohybuje rychlostí světla vzhledem ke světélkujícímu éteru [2] . Také Hendrik Lorenz (1899, 1900) předpokládal takovou závislost na rychlosti jako důsledek své teorie elektronů [3] . V této době se elektromagnetická hmota dělila na „příčnou“ a „podélnou“ hmotu a někdy byla označována jako „zdánlivá hmota“, zatímco invariantní newtonovská hmota byla označována jako „skutečná hmota“ [A 1] [A 2] . Na druhé straně byl německý teoretik Max Abraham přesvědčen, že veškerá hmota se nakonec ukáže jako elektromagnetického původu a že newtonovská mechanika bude začleněna do zákonů elektrodynamiky [A 3] .
Koncept (příčné) elektromagnetické hmoty , založený na konkrétních modelech elektronu, se později vyvinul v čistě kinematický koncept relativistické hmoty, odkazující na všechny formy energie, nejen na elektromagnetickou energii. V současné době je však koncept relativistické hmotnosti, i když je stále často zmiňován v populárních pracích o relativitě, mezi profesionálními pracujícími fyziky používán jen zřídka a byl nahrazen výrazy pro relativistickou energii a hybnost , které také předpovídají, že rychlost světla nemůže být dosáhnout masivními těly. Je to proto, že tyto fyzikální veličiny zahrnují Lorentzův faktor :
Experimenty Kaufmann-Bucherer-Neumann lze tedy považovat za rané testy relativistického vyjádření energie a hybnosti . (Pro další historický popis experimentů se stále používají pojmy „příčná“ nebo „relativistická hmotnost“).
Walter Kaufmann začal experimentovat s beta paprsky pomocí zařízení podobného katodové trubici , kde zdrojem elektronů byly atomy rádia umístěné ve vakuové komoře . (Viz obr. 1) Záření vyzařované radiem se v té době nazývalo Becquerelovy paprsky. Na rozdíl od tehdy známých katodových paprsků , které dosahovaly rychlosti pouze 0,3 s, kde c je rychlost světla, dosahovaly Becquerelovy paprsky rychlostí až 0,9 s . Protože však částice beta mají různé rychlosti, záření bylo nerovnoměrné. Kaufmann proto aplikoval elektrická a magnetická pole vzájemně rovnoběžně zarovnaná , takže výchylky, které způsobily, byly na sebe kolmé. Jejich osvětlením fotografické desky vznikla vychylovací křivka, jejíž jednotlivé body odpovídaly určité rychlosti a určité hmotnosti elektronů. Změnou náboje kondenzátoru, a tím invertováním elektrického pole, bylo možné získat dvě symetrické křivky, jejichž středová čára určovala směr odchylky trajektorie v magnetickém poli [A 4] [A 5] .
Kaufman publikoval první analýzu svých dat v roce 1901 - ve skutečnosti byl schopen změřit pokles poměru náboje k hmotnosti , čímž prokázal, že hmotnost nebo hybnost se zvyšují s rychlostí [4] . Pomocí Searleova (1897) vzorce pro nárůst elektromagnetické energie nabitých těles s rychlostí vypočítal nárůst elektromagnetické hmotnosti elektronu jako funkci rychlosti:
,Kaufman si všiml, že pozorovaný nárůst nelze vysvětlit tímto vzorcem, a tak naměřenou celkovou hmotnost rozdělil na mechanickou (skutečnou) hmotnost a elektromagnetickou (zdánlivou) hmotnost , přičemž mechanická hmotnost byla výrazně větší než hmotnost elektromagnetická. Udělal však dvě chyby: jak ukázal Max Abraham , Kaufman přehlédl, že Searleův vzorec platí pouze v podélném směru, ale vzorec pro příčný směr byl důležitý pro měření výchylky. Abraham proto zavedl „příčnou elektromagnetickou hmotu“ s následující závislostí na rychlosti:
Kaufman také udělal konstrukční chybu při odvozování křivek průhybu. Tyto chyby opravil v práci z roku 1902 [5] .
V letech 1902 a 1903 provedl Kaufmann další sérii testů s aktualizovanými a vylepšenými experimentálními metodami. Výsledky jím interpretoval jako potvrzení Abrahamovy teorie a předpokladu, že hmotnost elektronu má zcela elektromagnetický původ [6] [7] .
Hermann Starke provedl podobná měření v roce 1903, ačkoli používal katodové paprsky omezené na 0,3c. Výsledky, které získal, interpretoval jako konzistentní s výsledky Kaufmana [8] .
V roce 1902 publikoval Max Abraham teorii založenou na předpokladu, že elektron je pevná ideální koule , jejíž náboj je rovnoměrně rozložen po jejím povrchu. Jak bylo vysvětleno výše, zavedl kromě "podélné elektromagnetické hmoty" také takzvanou "příčnou elektromagnetickou hmotu" a tvrdil, že celá hmotnost elektronu je elektromagnetického původu [A 6] [A 7] [9] [10 ] [11] .
Mezitím Lorentz (1899, 1904) rozšířil svou teorii elektronů za předpokladu, že náboj elektronu je rozložen po celém jeho objemu a že v Kaufmanově experimentu se jeho tvar bude smršťovat ve směru pohybu a v příčných směrech zůstane nezměněn. Ke Kaufmanovu překvapení se Lorenzovi podařilo prokázat, že jeho model byl také v souladu s jeho experimentálními daty. Tento model dále rozvinul a vylepšil Henri Poincaré (1905), takže Lorentzova teorie byla nyní v souladu s principem relativity [A 8] [A 9] [12] [13] .
Podobnou teorii vypracovali Alfred Bucherer a Paul Langevin v roce 1904 s tím rozdílem, že celkový objem obsazený deformovaným elektronem se předpokládal nezměněný. Ukázalo se, že předpověď této teorie má blíže k teorii Abrahamově než k Lorentzově [A 10] [14] .
A konečně, speciální teorie relativity Alberta Einsteina (1905) předpověděla změnu hmotnosti bodového elektronu v důsledku transformačních vlastností mezi klidovým rámem částice a laboratorním rámcem, ve kterém byla prováděna měření. Matematicky tento výpočet předpovídá stejný vztah mezi rychlostí a hmotností jako Lorentzova teorie, i když implikuje zcela odlišné fyzikální pojmy [A 11] [15] .
Pokud jde o nárůst příčné elektromagnetické hmoty , předpovědi různých teorií jsou popsány následujícími výrazy (obr. 3):
Aby si mohl vybrat mezi těmito teoriemi, Kaufmann znovu provedl své experimenty s větší přesností. Kaufman věřil, že definitivně vyvrátil Lorentz-Einsteinův vzorec, a proto také vyvrátil princip relativity . Podle jeho názoru zbyly jediné možnosti – teorie Abrahama a Bucherera. Lorentz byl zmaten a napsal, že je „ na konci své latiny “ [A 12] [A 13] [16] [17] .
Kaufmannův experiment však byl kritizován [A 14] [A 15] . Krátce poté, co Kaufmann zveřejnil své výsledky a závěry své analýzy, se Max Planck rozhodl znovu analyzovat data získaná z experimentu. V roce 1906 a 1907 Planck publikoval svůj vlastní závěr o chování setrvačné hmoty elektronů při vysokých rychlostech. Pomocí pouhých devíti datových bodů z Kaufmanovy publikace z roku 1905 přepočítal nastavení jemného pole pro každý bod a porovnal měření s předpověďmi dvou konkurenčních teorií. Ukázal, že Kaufmanovy výsledky nejsou zcela rozhodující a mohou vést k nadsvětelným rychlostem [18] . Einstein v roce 1907 poznamenal, že zatímco Kaufmannovy výsledky souhlasí lépe s Abrahamovými a Buchererovými teoriemi než s jeho vlastními, základy jiných teorií jsou nevěrohodné, a proto mají jen malou pravděpodobnost, že budou správné.
Obrázek 4. Pohled shora. Buchererovo experimentální nastavení.
Rýže. 5. Průřez podél osy kruhového kondenzátoru pod úhlem α k magnetickému poli H.
Hlavním problémem Kaufmannových experimentů bylo jeho použití paralelních magnetických a elektrických polí, jak poukázal Adolf Bestelmeyer (1907). Pomocí metody založené na kolmých magnetických a elektrických polích (zavedené J. J. Thomsonem a rozvinuté do rychlostního filtru Wilhelmem Wienem) získal Bestelmeyer výrazně odlišné poměry náboje k hmotnosti pro katodové paprsky, až do 0,3 s. Bestelmeyer však dodal, že jeho experiment nebyl dostatečně přesný, aby s jistotou vybral správnou teorii [19] .
Alfred Bucherer proto v roce 1908 provedl přesné měření pomocí rychlostního filtru podobného Bestelmeyerovu. Viz Obr. 4 a 5. Zdroj beta radia byl umístěn do středu kruhového kondenzátoru sestávajícího ze dvou desek z postříbřeného skla vzdálených 0,25 mm od sebe při napětí 500 voltů v rovnoměrném magnetickém poli 140 Gaussů. Rádium emitovalo beta paprsky ve všech směrech, ale v jakémkoli konkrétním směru α vycházely z rychlostního filtru pouze ty beta paprsky, jejichž rychlost byla taková, že se elektrické a magnetické pole navzájem přesně vyrušilo. Po opuštění kondenzoru byly paprsky vychýleny magnetickým polem a exponována fotografická deska namontovaná rovnoběžně s okrajem kondenzoru a kolmo k nevychýleným paprskům [20] .
Pro svou konečnou analýzu Bucherer přepočítal naměřené hodnoty pěti běhů pomocí Lorentzových a Abrahamových vzorců, aby získal poměr náboje k hmotnosti, jako by byly elektrony v klidu. Protože se tento poměr pro elektrony v klidu nemění, musí datové body ležet na stejné horizontální přímce (viz 6). To však bylo přibližně pouze v případě, kdy byla data počítána pomocí Lorentzova vzorce a výsledky podle Abrahamova vzorce se prudce odchýlily (červená a modrá čára jsou průměrnou hodnotou pro oba vzorce). Shoda s Lorentz-Einsteinovým vzorcem byla Buchererem interpretována jako potvrzení principu relativity a Lorentz-Einsteinovy teorie – výsledek, který okamžitě uvítali Lorentz, Einstein a Hermann Minkowski [A 16] [A 17] .
Buchererovo nastavení navíc v roce 1909 vylepšil jeho student Kurt Woltz, který také získal souhlas s Lorentz-Einsteinovým vzorcem (ačkoliv Abrahamův vzorec neporovnával s vlastními údaji, obr. 7) [21] .
Navzdory skutečnosti, že mnoho fyziků Buchererův výsledek přijalo, stále existovaly určité pochybnosti [A 18] [A 19] . Například Bestelmeyer zveřejnil článek zpochybňující správnost Buchererova výsledku. Tvrdil, že jediný experiment sám o sobě nemůže stanovit správnost důležitého fyzikálního zákona, že Buchererův výsledek může být významně zkreslen nekompenzovanými paprsky dopadajícími na fotografickou desku a že jsou zapotřebí rozsáhlé datové protokoly a analýza chyb [22] . Po polemickém sporu mezi oběma vědci následovala série publikací, ve kterých Bestelmeyer tvrdil, že Woltzovy experimenty byly ovlivněny stejnými problémy [23] [24] [25] .
Carl Erich Hupka (1909) používal pro svá měření na rozdíl od Kaufmanna a Bucherera katodové paprsky o rychlosti 0,5c. Záření (generované na měděné katodě) bylo silně urychleno polem mezi katodou a anodou ve vysokovakuové výbojce. Anoda, která sloužila jako clona, procházela paprskem konstantní rychlostí a nakreslila stínový obraz dvou Wollastonových drátů na fosforeskující stínítko za druhou clonou. Pokud se za touto clonou vytvořil proud, paprsek se vychýlil a stínový obraz se posunul. Výsledky souhlasily s Lorentz-Einsteinovou teorií, i když Hupka poznamenal, že tento experiment neposkytuje definitivní odpověď [26] . Následně W. Heil publikoval několik článků o kritice a interpretaci výsledku, na které Chupka odpověděl [27] [28] [29] .
V roce 1914 Günter Neumann provedl nová měření pomocí Buchererova zařízení, zejména provedl některá zlepšení v reakci na kritiku Bestelmeyera, zejména problém nekompenzovaných paprsků, a provedl významná zlepšení datových protokolů. Metoda výpočtu byla stejná jako u Bucherera (viz obr. 6). Také v tomto experimentu jsou data odpovídající Lorentzově vzorci téměř na stejné vodorovné linii, jak je požadováno, a data získaná Abrahamovým vzorcem se výrazně odchylují (viz obr. 8). Neumann došel k závěru, že jeho experimenty jsou v souladu s pokusy Bucherera a Chupky, definitivně prokázal Lorentz-Einsteinův vzorec v rozsahu 0,4-0,7s, a Abrahamův vzorec vyvrátil. Instrumentální chyby se vyskytly v rozmezí 0,7-0,8 s, takže odchylka od Lorentz-Einsteinova vzorce v tomto rozmezí nebyla považována za významnou [30] .
V roce 1915 změřili Charles Guy a Charles Lavanchy výchylku katodových paprsků při rychlostech 0,25-0,5 s. K urychlení paprsků použili trubici s katodou a anodou. Membrána na anodě vytvořila paprsek, který byl vychýlen. Na konec aparatury byla umístěna obrazovka, na kterou byly částice fotografovány kamerou. Následně vypočítali poměr příčné elektromagnetické hmotnosti m T ke klidové hmotnosti m 0 , naznačený červenou a modrou křivkou, a získali dobrou shodu s Lorentz-Einsteinovým vzorcem (viz obr. 9), který doplňuje Neumannův výsledek [ 31] [32] .
Mnozí věřili, že experimenty Neumann a Guy/Lavanchy nakonec prokázaly Lorentz-Einsteinův vzorec [A 20] [A 21] [A 22] . Lorenz shrnul tyto snahy v roce 1915 [A 23] :
Pozdější experimenty [..] potvrdily vzorec [..] pro příčnou elektromagnetickou hmotu, takže se vší pravděpodobností byla nyní odstraněna jediná námitka, kterou bylo možné vznést proti hypotéze deformovatelných elektronů a principu relativity.Zahn & Spees (1938) [33] a Faragó & Lajos Janoshi (1954) [34] tvrdili, že mnoho předpokladů použitých v těchto raných experimentech ohledně povahy a vlastností elektronů a experimentálního uspořádání bylo nesprávných nebo nepřesných. Stejně jako v případě Kaufmannových experimentů by Bucherer-Neumannovy experimenty vykazovaly pouze kvalitativní nárůst hmotnosti a nemohly by si vybrat mezi konkurenčními teoriemi [A 24] [A 25] .
Zatímco výsledky těchto experimentů s vychylováním elektronů byly dlouhou dobu sporné, studie Carla Glitchera o jemné struktuře vodíkových čar (založené na práci Arnolda Sommerfelda ) již v roce 1917 jasně potvrdily Lorentz-Einsteinův vzorec, protože relativistické výrazy pro hybnost a energii byly potřebné k odvození jemné struktury a představovaly vyvrácení Abrahamovy teorie [35] [A 26] .
Kromě toho první experimenty s vychylováním elektronů s dostatečnou přesností provedli Rogers a kol. (1940), kteří vyvinuli vylepšené nastavení. Rozpadová řada radia poskytuje spektrum beta částic se širokým rozsahem energií. Dřívější měření Kaufmana, Bucherera a dalších používaly kondenzátory s paralelními deskami, které nezaměřovaly částice beta. Rogers et al (obr. 10) místo toho sestrojili elektrostatický spektrograf schopný rozlišit energetická maxima jednotlivých čar beta částic z řady rozpadů radia. Elektrostatický spektrograf byl zkonstruován ze segmentů dvou válců a uzavřen ve vakuové železné komoře. Paprsky beta jsou vyzařovány tenkým platinovým drátem potaženým aktivním radiovým naprašováním. Rozptýlené paprsky dopadaly na štěrbinu před Geigerovým pultem . Data z tohoto experimentu byla zkombinována s předchozími měřeními H ρ pomocí magnetického spektrometru pro získání poměru náboje k hmotnosti, který byl následně porovnán s Lorentzovými a Abrahamovými předpověďmi pro poměr příčné hmotnosti k klidové hmotnosti. Všechny body byly umístěny na křivce představující Lorentz-Einsteinův vzorec s přesností do 1 % (viz obr. 11) [36] . Tento experiment je považován za dostatečně přesný, aby rozlišoval mezi teoriemi [A 27] .
Od té doby bylo provedeno mnoho dalších experimentů týkajících se vztahu relativistické energie a hybnosti , včetně měření výchylky elektronů, které všechny potvrdily speciální relativitu s vysokou přesností. Také v moderních urychlovačích částic se pravidelně potvrzují předpovědi speciální teorie relativity.
Experimentální ověření speciální teorie relativity | |
---|---|
Rychlost/Izotropie | |
Lorentzova invariance |
|
Dilatace času Lorentzova kontrakce |
|
Energie |
|
Fizeau/Sagnac | |
Alternativy | |
Všeobecné |
|