Una variación vertical de las versiones modernas de Michelson-Morley

Desde hace casi un año, he estado en la incómoda posición de tener una idea.

Sin embargo, hay una cosa buena acerca de esta idea. Hace una predicción física concreta, exacta y relativamente fácil de probar.

La idea predice que hay un viento etéreo de 11.187 m/s (velocidad de escape de la Tierra) directamente en la superficie de la Tierra en su superficie.

Creo que sería posible probar esto realizando una variación vertical de las versiones modernas del experimento de Michelson-Morley (MMX) con un brazo apuntando en dirección vertical. ( MMX moderno )

En 2003, Muller et al. realizó un MMX moderno normal (2 brazos ortogonales horizontales) utilizando resonadores ópticos criogénicos que encontraron una "posible anisotropía de la velocidad de la luz c, (de) 2,6 +/- 1,7 partes en 10^15" ( arXiv )

En una breve conversación con Holger Müller, profesor de Berkeley y autor principal de ese artículo, afirmó que, hasta donde sabía, nadie había realizado nunca una variación del experimento con un brazo vertical. También mencionó que tal experimento sería complicado por el hecho de que la gravedad comprimiría ligeramente la longitud de la barra vertical haciendo que dos barras de igual longitud ya no tuvieran la misma longitud.

“No se han hecho hasta donde yo sé. El problema es que cualquier señal física interesante sería difícil de diferenciar de una señal grande del estiramiento de los brazos bajo su propio peso”. - H. Müller

Estoy interesado en intentar ejecutar este experimento yo mismo. En ese sentido, tengo las siguientes preguntas:

  1. Dada la comprensión actual de la física, ¿hay alguna razón para esperar que tal variación vertical del MMX no arrojaría exactamente los mismos resultados que todos los demás MMX, es decir, que no hay anisotropía en la velocidad de la luz?
  2. Dadas las complicaciones mencionadas por el profesor Müller, ¿existen métodos razonables disponibles para superarlas? Especialmente considerando que el tamaño del efecto (c + 11,187 m/s vs c) es sustancialmente mayor que la precisión obtenida en sus MMX modernos y similares.
  3. ¿Cuál es el orden de magnitud del costo de tal experimento? Si voy a financiar esto personalmente, ¿este proyecto costaría $ 10,000? $ 100,000? $ 1,000,000? ¿más?

Cualquier idea ofrecida sobre este tema será muy apreciada.

EDITAR: Por lo que vale, para las personas que miran esto años después. Como aludí originalmente en un comentario a la respuesta muy apreciada y completa de [WetSavannaAnimal, también conocido como Rod Vance]. Si bien, me siento cada vez más cómodo con la idea de que hay un flujo de éter o espacio-tiempo o como quieras llamarlo hacia la Tierra a 11 km/s; Creo firmemente que un MMX vertical devolvería el mismo resultado nulo que el horizontal.

Y creo que lo hará por la contracción de la longitud; esa contracción de la longitud enmascara exactamente cualquier anisotropía de la velocidad de la luz al garantizar que el tiempo de ida y vuelta de la luz en cualquier dirección sea constante; esa contracción de longitud asegura la covarianza de Lorentz.

La compresión del material no es el único problema: el corrimiento al rojo gravitacional es más que un poco significativo en este arreglo.
@dmckee ¿Es reversible el corrimiento al rojo? ¿Un fotón enviado desde la superficie de la tierra y rebotado en un espejo en el espacio de regreso a la superficie tendrá un corrimiento al rojo neto o se desplazará al azul de regreso a donde comenzó?
Ciertamente, regresa a la inversa en el sentido de que la longitud de onda de la luz es la misma cuando regresa al camino óptico compartido, pero introduce un cambio de fase que es exactamente a lo que es sensible un interferómetro. Lo que no he hecho es intentar estimar si esto es algo que podría restar de los datos.
@dmckee Ok, muchas gracias por los comentarios. Trabajaré en el cálculo.
aepryus: " En 2003, Müller et al. realizaron un MMX moderno normal (2 brazos ortogonales horizontales) usando resonadores ópticos criogénicos [... arxiv.org/abs/physics/0305117 ] " -- Allí (p. 2) está afirmó " En nuestro experimento (Fig. 1), usamos dos L = 3   cm NÚCLEOS largos (resonadores ópticos criogénicos) . ¿Cómo midieron Müller et al. si (o con qué precisión) esta condición de configuración se cumplió y se mantuvo realmente durante todo el ensayo? (Seguramente eso no es solo una preocupación en caso de una " variación vertical " de la configuración?)

Respuestas (2)

En primer lugar, debe calcular cuánto cambiará su efecto hipotético el retraso óptico en cada uno de los brazos del interferómetro y verificar que espera ver algún resultado con su experimento propuesto. Dicho de otro modo: ¿cuáles son las especificaciones del interferómetro (longitud del brazo, requisitos de fuente de luz, etc. , tolerancias vibratorias) que le permitirán ver su efecto si es real y si son razonables?

Puedo ver un problema importante con su configuración que deberá superar. Hay varios efectos en los que puedo pensar que influirán en su experimento. El primero es el cambio en la longitud óptica de un brazo de interferómetro dado que surge a través del corrimiento al rojo gravitacional de la luz que se propaga entre diferentes potenciales gravitatorios cuando el brazo está vertical (como lo verificó el experimento Pound-Rebka; consulte la página wiki de este nombre en oposición a la ausencia de este efecto cuando el brazo está horizontal Este efecto es pequeño, pero se puede calcular con precisión a partir de la métrica de Schwarzschild y es repetible. Así que este efecto no es un problema para ti. Un segundo efecto es el efecto de marea gravitacional que se debe a la variación de segundo orden de la métrica de Schwarzschild). De hecho, esta es una versión extremadamente suave de espaguetificación. El interferómetro responde a esto asumiendo un estado de tensión: es equivalente (en el límite newtoniano) a la tensión requerida para contrarrestar una variación en la aceleración gravitatoria dada por 3 gramo Δ / R para una distancia vertical de Δ , donde R es el radio de la Tierra cuando el interferómetro está en caída libre. Es decir, unos pocos micro-g por metro de distancia vertical. Una vez más, este es un efecto repetible.

Un efecto que va a ser mucho mayor y que, en mi opinión, es casi imposible de explicar es el cambio en la longitud del brazo óptico a través de la tensión mecánica inducida por el peso en el brazo a medida que el brazo del interferómetro gira de horizontal a vertical. Y el interferómetro debe girarse como en el experimento de Michelson-Morley, ya que no existe una forma no interferométrica de comparar las longitudes ópticas de los brazos del interferómetro. La solución es intercambiar los roles de los brazos (por rotación) y verificar el efecto de esta manera.

Entonces, esto realmente significa que su experimento debe realizarse en condiciones de ingravidez. ¿Su efecto propuesto todavía existe en caída libre según su teoría? De lo contrario, deberá desarrollar un medio repetible e independiente de la luz para medir la tensión inducida por el peso en los brazos de su interferómetro con una precisión de centésimas de longitud de onda.

Cualquier sistema de interferómetro hecho a la medida de la precisión que está buscando consumirá fácilmente decenas de miles de dólares estadounidenses / euros al momento de escribir (2014) en la producción de óptica y el sistema de alineación mecánica. Necesitará volverse muy experto en diseño mecánico y producción de dibujos de ingeniería para obtener lo que necesita. Agregue $ 10K para la adquisición de software que lo ayude a hacer esto ( por ejemplo , Solidworks) o ayuda de ingeniería profesional (en el último caso, agregue $ 20K a $ 30K).

Ahora, agregue el costo de poner su experimento en órbita terrestre baja. La pregunta de intercambio de la pila de exploración espacial "¿Cuál es el costo actual por libra para enviar algo a LEO?" puede ayudarte Sería una apuesta justa, a partir de las cifras citadas allí, que estás viendo $ 25K USD / kg. Entonces, un sistema satelital de interferómetro de diez kilogramos (no olvide la telemetría de datos) le costará un cuarto de millón de dólares / euros para llevarlo a donde funcionará.

Entonces, en general, diría que un presupuesto del orden de $ 400K USD / $ 400K euros parece una cifra mínima.

Gracias inmensamente por esta respuesta. En realidad, esta idea predice que el efecto desaparecerá por completo en caída libre ( physics.stackexchange.com/questions/130323/a-clock-in-freefall ). Más allá de eso, me he dado cuenta de que incluso con el viento de 11 km/s este experimento también daría un resultado nulo. Mi pensamiento actual es que la contracción de la longitud es totalmente el resultado del viento etéreo y siempre enmascara con precisión el viento, lo que da como resultado la covarianza de Lorentz en todos los casos.
WetSavanna está equivocado sobre el corrimiento al rojo gravitacional. De hecho, NO afecta a la luz en sí, sino a los RELOJES. Como todo el mundo sabe, el corrimiento al rojo gravitacional se debe a las mediciones de frecuencia de la luz utilizando relojes colocados a diferentes alturas. Solo afecta a los relojes. Si TU reloj (no el de los fotones, no hay reloj de fotones en la relatividad) es más lento entonces medirás un corrimiento hacia el azul, por el contrario, si tu reloj es más rápido, un corrimiento hacia el rojo. Pero en la formación del patrón de interferencia no hay frecuencia medida con relojes/frecuencímetros, y este fenómeno está fuera de discusión.
@mfc Pero la métrica de Scwarzschild le dirá que hay un cambio. Imagínatelo así. Imagine el interferómetro construido en un marco cuadrado o rectangular: desplazamientos a lo largo de sus lados d X , d y y vamos a construirlo en el espacio profundo. Tiene forma rectangular medida con respecto a la métrica local, y como esta métrica es plana, d X y \mathrm{d}y$ conmutan. Ahora lleve el interferómetro al campo gravitacional. Nuestro espacio-tiempo ahora ya no es plano y, de hecho, también hay una curvatura espacial. Así que los mismos desplazamientos infinitesimales...
.... d X y d y ya no viaje. Entonces, lo que esto te dice es que el interferómetro no puede tener su forma original y las mismas longitudes laterales. Entonces estará en un estado de tensión, aunque será muy pequeño. Su respuesta a la métrica dependerá de sus propiedades elásticas por lo que terminará con diferentes longitudes de camino. Además, los caminos ópticos relativos dependerán de la orientación. No he calculado cuánto es esto, tal vez sea demasiado pequeño para ser un problema. En cualquier caso, es repetible, por lo que incluso si es significativo no es un problema, es un error sistemático que ...
@mfc se puede corregir. El efecto mucho más grande y difícil de corregir es la tensión inducida por el peso. Para decirlo de otra manera, el efecto relativista del que hablo es una versión extremadamente suave de espaguetificación, que es un efecto anisotrópico.
@mfc ... y me acabo de dar cuenta de que esto es lo mismo que el efecto de marea cuando uno piensa en esto de una manera newtoniana, y de hecho, las dos teorías darán resultados casi idénticos en las condiciones de la Tierra. Entonces, sí, este no es un fenómeno de corrimiento al rojo.
@mfc Y, pensándolo bien, creo que te equivocas sobre el efecto Pound Rebka. Creo que su problema básico es que está tratando de comparar intervalos de tiempo en diferentes puntos en una variedad curva. La frecuencia de la luz, por lo tanto, la fase por unidad de longitud, realmente cambia a medida que se propaga verticalmente. Simplemente imagine medir la longitud de onda con precisión con una súper rejilla y deslizar su instrumento de medición verticalmente, midiendo sobre la marcha. De hecho, registrará un cambio de longitud de onda, al igual que los astrónomos realmente ven el desplazamiento hacia el rojo en los espectros atómicos. Entonces, la fase se retrasa a lo largo de un ....
@mfc ... dada la longitud del brazo del interferómetro realmente cambia según su orientación en un potencial gravitatorio.

Un ejemplo de un experimento similar es la famosa medición de un cambio de fase inducido gravitacionalmente en un haz de neutrones por Colella, Overhauser y Werner (a menudo llamado "el experimento COW"). Es interesante notar que si bien hubo un cambio de fase gravitacional inequívoco, su tamaño no fue el previsto.

Una variación vertical de las versiones modernas de Michelson-Morley
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