Kosmiska myoner: Tidsdilatation synliggjord

1 · Förutsäg

Myoner som skapas av kosmisk strålning högt uppe i atmosfären har en egen livstid på bara cirka 2,2 mikrosekunder — inte alls tillräckligt med tid, vid nästan ljusets fart, för att nå marken utan hjälp. Ändå detekteras myoner i stort antal vid havsnivå. Förklarar tidsdilatationen detta?

• Nej — myonerna måste skapas närmare marken än väntat.
• Detta har ingenting med relativitetsteorin att göra.
• Ja — en snabbt rörlig myons sönderfallsklocka går långsamt sett från jordens referenssystem, vilket förlänger dess observerade livstid tillräckligt för att den ska nå marken.

2 · Uppbyggnad

1. Öppna förinställningen Myonens tidsdilatation och tryck på Återställ. Myonens egen livstid är låst till 2.2 µs, farten β = 0.995.
2. Aktivera avläsningarna av Lorentzfaktorn och den dilaterade livstiden.
3. Ställ in myonens fart för varje försök och notera dess dilaterade livstid (i jordens referenssystem).

3 · Samla data

Rita den dilaterade livstiden Δt (y-axeln) mot γ (x-axeln) för dina tre försök. Är linjen rak genom origo?

4 · Analysera

1. Beräkna för ett försök γ = 1/√(1 − β²), sedan Δt = γ·(2.2 µs). Jämför med tabellen. Bekräfta att β = 0.995 ger ungefär en tiofaldig förlängning av livstiden.
2. Utan tidsdilatation låter en egen livstid på 2.2 µs, ens vid nästan ljusets fart, en myon färdas bara cirka 660 m — långt ifrån de cirka 15 km högt upp i atmosfären där de flesta skapas. Förklara hur den dilaterade livstid du beräknade ändrar denna bild.

5 · Utvidga

1. I myonens eget referenssystem är dess livstid fortfarande bara 2.2 µs — men myonen 'ser' atmosfären längdkontraherad, så den behöver inte färdas lika långt. Förklara varför båda förklaringarna (tidsdilatation i jordens referenssystem, eller längdkontraktion i myonens referenssystem) förutsäger exakt samma experimentella utfall: myonen når marken.
2. Rossi–Hall-experimentet 1941, som jämförde myonantal på en bergstopp med vid havsnivå, var en av de första direkta experimentella bekräftelserna av den speciella relativitetsteorins tidsdilatation. Varför skulle det att jämföra antal på två olika höjder vara ett smart sätt att testa denna förutsägelse?

Fysiken bakom det här experimentet

← Tillbaka till experimentet

138 gratis utskrivbara labblad i fysik