实验1 1927年(获诺贝尔奖年)康普顿效应

实验于1923年由康普顿(A.H.Compton)等人完成.我国著名物理学家吴有训(原中科院副院长)参加了这个工作.

实验的实质是电子(或轻原子)对高能光子(X射线)的散射.实验发现:在不同的散射角,光的波长不同.康普顿把X射线看成具有能量,动量的粒子流与电子发生碰撞,利用相对论力学处理,理论计算结果与实验符合.

下面这段话,是康普顿1923年论文<X射线在轻元素上散射的量子理论>的结论:对这个理论的实验证明,非常令人信服地表明.辐射量子既带有能量,又带有定向的动量.

康普顿效应验证了相对论力学的正确性.

实验2.电子偶的产生与湮灭

正负电子对称为电子偶.正电子的电荷与电子相反,带有一个单位的基本电荷,质量与电子相同.它们互为正反粒子.

正电子是1928年首先由狄拉克(P.A.M.Dirac)在理论上预言,1932年由安德孙(C.D.Anderson)在宇宙射线中观察到.为此安德孙(C.D.Anderson)获得了1936年的诺贝尔奖.

理论上把电子,正电子,高能光子都看成具有能量,动量服从相对论力学规律的粒子,用相对论力学计算它们碰撞前后的能量,动量;实验测量这些粒子碰撞前后的能量,动量,实验与理论计算符合.

90年代前后中科院华中分院在这方面作了很多有价值的工作,在当时的学术期刊上都能查到.(近期如何?我不清楚)

实验3.穆斯堡尔效应

把γ光子,原子核看成具有能量,动量的高能粒子,服从相对论力学规律.当原子核发射γ光子时,应该有反冲.相对论理论能计算出这个反冲,实验能测出这个反冲,两者一致.其中一个后果是使得光谱线展宽,频率不单一.

穆斯堡尔(R.L.Mossbauer)效应是一种无γ射线的共振吸收现象.为此获得了1961年诺贝尔奖.

以上三个实验共同点都是:把光子看成具有能量,动量的粒子,光子与其它粒子相互作用(碰撞)满足相对论力学的要求.说明相对论的两个假设的重要推论:相对论力学与实验一致.值得强调的是:理论发表在先,实验在后,不存在凑数据的问题.(如果倒过来实验在先,理论在后,人们就有这个怀疑,例如麦克尔荪--莫雷关于测以太风的实验,有些人就有此看法.认为:你爱因斯坦在凑数据.)这就是三个实验的价值.

实验4.引力红移

光子具有能量hν,等效地具有质量m=hν/cc.于是,光子在引力场中具有引力势能.根据能量守恒,从恒星表面射到地面的光子,能量应该减少.即频率变少.

相对论理论计可以算出这个频率移动,实验测出这个移动,两者一致.

应该说明:引力红移是一个非常精细的效应.发光原子热运动和恒星运动所引起的光谱线多普勒移动,都比引力红移大得多.观察恒星光的引力红移十分困难.这是事实.但是人们观察到了,并且观察结果与理论计算结果一致.

例如实验室观察到氢红线的波长是6562.10埃(10的负8次方厘米),太阳光谱中的氢红线波长比上面的长,波长差是0.0130埃.理论与实验没有矛盾.

说明:本实验结果作为相对论的实验验证有点勉强,原因是多普勒效应比引力红移大得多.但是作为与相对论不矛盾的实验又是可以的.实验5将解决这个问题.

下面我们先列举几个大家熟识的验证相对论的实验,这些实验在相当多的参考书上都被引用过.

实验6.地面上的μ子流

实验证实:地面上的μ子主要来源于大气上层.在大气上层,高能宇宙线与原子核发生碰撞会产生μ子,在μ子静止的参考系中,μ子产生与衰变于空间同一点,在这个参考系中测量得到μ子的(固有)寿命约为T=2.2微秒(10的负6次方秒).

实际上μ子的速度相当大,十分接近光速.即使按光速计算,如果不考虑相对论,μ子在衰变前通过的路程.......s=cT=660m

地球大气层大约厚度为100km.按次推算,μ子在到达地球之前早就衰变了,地面上不可能观察到μ子流.但实际上,地面宇宙射线μ子流相当强,高达每秒每平方米500个.也就是说:如果你躺在原野上,平均每秒钟约有100个μ子打到你身上!这已经给人类的正常生活造成影响.引起了物种变异.

为什么有那么多μ子能够穿过大气层到达地面?这是由于相对论的时间膨胀效应.地面参照系测得的μ子平均<运动寿命>为0.33X10的负3秒,大约是固有寿命的1000倍.此时μ子速度为v=0.999978c

人造地球卫星能测量不同高度的μ子流强度,相关数据都转送到各自国家的科研组;相对论理论能算出不同高度μ子流的强度.如果两者有矛盾,一定有报导.直到现在,我们没有看到过任何有矛盾的报导.

实验7.π介子寿命

与实验6大同小异.π介子固有寿命T=2.60 X10的负8次方秒,当π介子的速度达到v=0.913c时,由相对论有关公式计算得到寿命为6.37X10的负8次方秒.
相关实验证实了这个结果.

实验8.双胞胎效应

60年代原子钟问世后,美国大一些原子钟留在地面,把其中一台放到飞机上绕地球飞行,然后再拿回来与地面上的钟比较.实验发现:飞机上的钟慢了10的负7秒.

如何解释这个效应?是用狭义相对论还是广义相对论?也许存在分歧,(见前些日子本吧的讨论)但是共同点都是:要用相对论解释.

实验9.π介子的γ衰变

在高能加速器中产生π介子,其相对于实验室的速度十分接近光速.它在飞行中衰变,发出γ光子.如果按经典力学的速度叠加,这些γ光子的速度应该在0到2c之间,但实验发现:这些γ光子的速度仍然是c.这个实验直接证明了光速不变假设.

实验10.斯坦福直线加速器中的电子.

本实验直接验证相对论速度叠加法则.电子沿一根三公里长的直真空管飞行,被电磁场反复加速,每加速一次,电子的速度就增加一点.但随着电子速率增大(接近光速)加速越来越困难.

这个加速器可以把电子加速到20GeV(GeV是10的9次方eV).当电子加速到10GeV时,(实验室系)速度只比光速小0.39m/s,在增加另一半10GeV的能量时,在实验室系中,电子的速度仅仅增加了0.20m/s.直接验证了速度叠加法则.

谢谢楼上及位的鼓励.另外,我想集中时间把20个实验都发完.对有些问题,采取暂时不回应,等20个实验都发完再说.请有关吧友谅解.如果其它吧友能帮忙回复,当然就更好了.

实验11.中子引力干涉.如图
_____________________________________接收屏幕(或仪器)

__________.__._____________.处表示缝.两缝中心位于同一水平面



一束单色平行光,垂直入射到图中的双缝,屏幕上有明暗相间的干涉条纹.这是杨氏双缝干涉.

1974年,有人用能量动量一定的中子代替单色平面光波,首次观察到中子干涉效应.随后中子引力干涉仪小批量生产.人们可以用该仪器进行中子引力干涉实验.该实验原理仍如上图.差别仅仅是:在中子到达双缝前一段L长的路程上让两束入射中子,一束在上,另一束在下,高度差为H.到达双缝之前在返回同一高度.

由于地球引力场的影响,上束中子比下束中子动量小.注意到在微观领域,动量与波长有关,因此两束入射中子在到达双缝前就有位相差,结果是屏幕上原来的干涉条纹应该移动.理论能算出移动的多少,实验能测出移动的多少.在实验误差范围内两者一致.

本来这是一个微观粒子波--粒二象性方面的实验,怎么会与相对论挂上钩?

由能量守恒: (下方中子动能)-(上方中子动能)=mgH....(1)

上式两边都出现中子的质量,但是这两个质量的意义是不同的.左边的质量是惯性质量,右边的质量是引力质量.70年代后期,这类实验有多个科研组在重复,最后大家得到相同的结论:中子引力干涉实验表明:

..........惯性质量=引力质量

有兴趣的吧友可以查看当年的专业期刊.

实验16:狄拉克方程

狄拉克按相对论要求,于1928年提出狄拉克方程.狄拉克用它不仅算出了氢原子光谱的精细结构,解释了电子的自旋角动量和固有磁矩,进一步还预言了正电子的存在.这些结果都与当时的实验符合,也得到后来新实验的支持.为此获得1933年的诺贝尔奖.

把狄拉克方程看成是相对论在微观领域的一个应用,象相对论力学在宏观领域应用一样,实验对狄拉克方程的支持就是对相对论的支持.

插入一层楼,说点题外话.

牛顿力学得到但是人们的支持,除了它能解释当时有的实验事实外,还预言了一些新现象,帮助人们发现新天体.

当时已知的行星仅有地球,金,木,水.火,土及天王星.人们用新出现的牛顿力学去计算天王星的轨道,发现理论计算与实际观察有偏离.要解决这个偏离,只有两种可能:

(1)牛顿力学在天体领域有问题,要修改,甚至放弃!
(2)在天王星外还存在一个质量十分可观的未发现的行星.

后来找到了天王星,大大增强了人们对牛顿力学的信心.

我将发的下一个实验,与上面所说的有点类似.我打字慢,也慢慢发,吧友们不妨猜猜看,到底相对论(加上别的理论)预言了什么新现象?猜中的应该有奖!当然时间是在我发出下一个帖子之前.