Experimento de Ives y Stilwell

Desde entonces, se han realizado muchos experimentos del mismo tipo que el de Ives y Stilwell, cada vez con mayor precisión.[3]​ Otras pruebas que confirman el efecto Doppler relativista son el Experimento con rotores de Mössbauer y los experimentos modernos de Ives y Stilwell.Albert Einstein predijo tanto la dilatación del tiempo como el efecto Doppler relativista en su artículo fundamental de 1905.[5]​ Este efecto se denominó posteriormente "efecto Doppler transversal" (EDT), ya que inicialmente se pensó que tales experimentos se realizarían considerando el sentido perpendicular con respecto al movimiento de la fuente, para evitar la influencia del desplazamiento Doppler longitudinal.Utilizaron rayos en dirección longitudinal y encontraron una manera de separar el efecto Doppler transversal, mucho más pequeño, del efecto Doppler longitudinal, mucho más grande.[2]​ Se realizaron experimentos similares varias veces con mayor precisión, por ejemplo, Otting (1939),[6]​ Mandelberg et al.[1]​ Sin embargo, incluso con estas mejoras, realizar el experimento como se imagina habitualmente (con la observación realizada en ángulo recto con respecto al haz) sería extremadamente difícil, ya que pequeños errores en el ángulo de observación darían como resultado desplazamientos de líneas de magnitud comparable a la magnitud del efecto esperado.[1]​ Para evitar los problemas asociados con la observación del haz en ángulos rectos, Ives y Stilwell utilizaron un pequeño espejo dentro del tubo de rayos anódicos (Fig.cuyo valor no podía ser determinado únicamente por los mencionados experimentos.Ives propuso el experimento óptico descrito en este artículo para determinar el valor preciso dePor lo tanto, la relatividad especial predice que el centro de gravedad de las líneas desplazadas por el efecto Doppler en una fuente que se mueve hacia un observador y su imagen reflejada alejándose del observador, se desplazarán con respecto a las líneas de emisión no desplazadas en una cantidad igual al efecto Doppler transversal.[11]​[12]​ En el experimento, Ives y Stilwell utilizaron tubos de descarga de hidrógeno como fuente de rayos catódicos, que consistían principalmente en iones positivos H2+ y H3+ (los iones H+ libres estaban presentes en una cantidad demasiado pequeña para ser utilizables, ya que se combinaban rápidamente con las moléculas H2 para formar iones H3+).Para su artículo, Ives y Stilwell se centraron en la línea azul verdosa 4861 Å4 muestra un ejemplo de los resultados que obtuvieron, con una línea de emisión no desplazada en el centro y las líneas del hidrógeno atómico desplazadas por el efecto Doppler sobre los iones H2+ y H3+ a tres voltajes diferentes a cada lado de la línea central.no desplazada, rodeada por las líneas de emisión del[1]​ Ives y Stilwell compararon sus resultados con las expectativas teóricas utilizando varios enfoques.[12]​ En el experimento de 1938, el efecto Doppler transversal máximo se limitó a 0,047 Å.La principal dificultad que encontraron Ives y Stilwell al intentar lograr cambios mayores fue que cuando elevaban el potencial eléctrico entre los electrodos aceleradores por encima de 20.000 voltios, se producían roturas y chispas que podían conducir a la destrucción del tubo.Esta dificultad se superó mediante el uso de múltiples electrodos.Con este tubo, se logró un desplazamiento máximo de 0,11 Å para los iones H2+.En circunstancias normales esto no tendría ninguna consecuencia, ya que este efecto solo daría como resultado un ligero ensanchamiento aparente de las imágenes directas y reflejadas de la línea central.Pero si el espejo estuviera empañado, se podría esperar que la línea central se desplazara ligeramente, ya que la vista reflejada desplazada al rojo de la línea de emisión contribuiría menos a la longitud de onda medida que la vista directa desplazada al azul.Se realizaron otros controles para abordar diversas objeciones de los críticos del experimento original.[2]​ Los experimentos con rotores de Mössbauer lograron una confirmación más precisa del efecto Doppler relativista.Según la teoría de la relatividad, la frecuencia característica de la absorción de resonancia del absorbente en movimiento situado en el borde debería disminuir debido a la dilatación del tiempo, por lo que aumentaría la transmisión de rayos gamma a través del absorbente, que posteriormente era medida por el contador estacionario situado más allá del absorbente.Es decir, un posible viento del éter debería ejercer una influencia perturbadora sobre la frecuencia de absorción.Debido a sus frecuencias emitidas, estos iones pueden considerarse como relojes atómicos ópticos de alta precisión.como frecuencia del rayo láser que se propaga en sentido contrario al haz de iones ycomo frecuencia del rayo láser que se propaga en paralelo al haz de iones.Mientras tanto, también se ha logrado medir la dilatación del tiempo a velocidades muy pequeñas, no relativistas.
Figura 1. Experimento de Ives y Stilwell (1938). Se aceleraron " rayos anódicos " (una mezcla mayoritariamente de iones de H 2 + y de H 3 + ) a través de placas perforadas cargadas con entre 6.788 y 18.350 voltios . El haz y su imagen reflejada se observaron simultáneamente con la ayuda de un espejo cóncavo desplazado 7° del haz. [ 1 ] ​
Figura 2. El elemento dispersante del espectrógrafo era una rejilla de difracción encendida para maximizar la cantidad de luz total proyectada de primer orden. Una lente telescópica de alta calidad de cinco pies de distancia focal colimó la luz de la rendija en un haz paralelo sobre la rejilla, y luego la luz difractada fue enfocada por una lente similar sobre una placa fotográfica. Todo el aparato se montó sobre una plataforma estable y se realizó en una sala de temperatura constante regulada a 0,1 °C.
Figura 3. Por qué es difícil medir con precisión el efecto Doppler transversal (EDT) utilizando un haz transversal. La ilustración muestra los resultados de intentar medir la línea de 4861 ångström emitida por un haz de "rayos anódicos" mientras se recombinan con electrones extraídos del gas hidrógeno diluido usado para llenar el tubo de descarga. Con v = 0.005 c , el resultado previsto del EDT sería una línea de 4861,06 ångström. A la izquierda, el desplazamiento Doppler convencional provoca un ensanchamiento de la línea de emisión hasta tal punto que no se puede observar el EDT. En el medio se ve que incluso si se fija la atención en el centro exacto del haz, desviaciones muy pequeñas del haz desde un ángulo recto exacto introducen cambios comparables al efecto previsto. Ives y Stilwell utilizaron un espejo cóncavo que les permitió observar simultáneamente un haz directo casi longitudinal (azul) y su imagen reflejada (rojo). Espectroscópicamente, se observarían tres líneas: una línea de emisión no desplazada y líneas desplazadas al azul y al rojo. El promedio de las líneas desplazadas al rojo y al azul se comparó con la línea no desplazada.
Figura 4. Línea de Balmer con desplazamiento Doppler según el experimento de Ives Stilwell
Figura 5. Líneas de emisión del H β y líneas de absorción molecular del H 2 en el experimento de Ives y Stilwell
Figura 6. Desplazamientos de segundo orden calculados y observados comparados con los desplazamientos Doppler de primer orden
El experimento de Kündig (1963). Se montó un absorbente de 57 Fe a 9,3 cm del eje del rotor de una ultracentrífugadora de Mössbauer, y una fuente de 57 Co en un transductor piezoeléctrico ( PZT ) situado en el centro del rotor. El giro del rotor provocaba que la fuente y el absorbente perdieran la resonancia. Un voltaje modulado aplicado al transductor ponía la fuente en movimiento radial con respecto al absorbente, de modo que se pudo medir la cantidad de desplazamiento Doppler convencional que restauraría la resonancia. Por ejemplo, retirar la fuente a 195 micrómetros /s produjo un desplazamiento Doppler convencional al rojo equivalente al desplazamiento Doppler transversal resultante de hacer girar el absorbente a 35.000 rpm
Vista esquemática de una espectroscopia óptica de doble resonancia con las frecuencias de transición y de un ion en movimiento y rayos láser contrapropagantes con las frecuencias y
Vista esquemática de espectroscopía de saturación con las frecuencias de transición de un ion en movimiento y rayos láser que se propagan en contra con las frecuencias y