ケネディ・ソーンダイクの実験とは？わかりやすく解説

ケネディ・ソーンダイクの実験（ケネディ・ソーンダイクのじっけん、Kennedy–Thorndike experiment）は、1932年にロイ・ケネディ (Roy J. Kennedy) とエドワード・ソーンダイク (Edward M. Thorndike) により初めて行われた、マイケルソン・モーリーの実験の手順を改良した特殊相対性理論を検証する実験である^[1]。改良点は、古典的なマイケルソン・モーリーの実験の装置の一方のアームをもう一方のアームよりも短くした点である。マイケルソン・モーリーの実験は光の速度が装置の「向き」に依存しないことを示したが、ケネディ・ソーンダイク実験は、異なる慣性系における装置の「速度」にも依存しないことを示した。これにより時間の遅れが間接的に検証された。マイケルソン・モーリーの実験の否定的結果は長さの収縮だけで説明できるが、ケネディ・ソーンダイクの実験の否定的結果の説明には、地球が太陽の周りを公転する間の位相シフトが検出されない理由を説明するために、長さの収縮だけでなく時間の遅れも必要である。時間の遅れは、アイヴズ・スティルウェルの実験（英語版）により、初めて直接確認された。これら3つの実験の結果を組み合わせると、完全なローレンツ変換を導出することができる^[2]。

ケネディ・ソーンダイク実験を改良し、光キャビティまたは月レーザー測距を使用して行われた実験がある。

実験

元のマイケルソン・モーリーの実験は、ローレンツ収縮の仮説のみを検証するのに役立った。ケネディは、1920年代にマイケルソン・モーリーの実験を洗練したものをいくつか作っていたが、時間の遅れも検証する方法を思いついた。以下のように記している^[1]。

この実験の基礎となっている原理は、均一な光のビームが2つに分割され、異なる長さの経路を通過した後に再び結合される場合、相対性理論が要求するように光の周波数が速度に依存しない限り、相対的な位相は装置の速度に依存するというものである。

図1を参照すると、主要な光学部品は真空チャンバーVの内部にある熱膨張係数が極めて低い溶融石英の基盤上に取り付けられた。水ジャケットWにより、温度変化は±0.001 °C以内に制御された。水銀源Hgからの単色緑色光は真空チャンバーに入る前にニコルプリズムを通過し、不要な背面反射を防ぐためにブリュースター角に設定されたビームスプリッタBにより分割された。2つのビームは、5461 Å水銀線のコヒーレンス長を考慮して、可能な限り発散する距離に設定された2つのミラーM1及びM2に向けられた（コヒーレンス長はおよそ32 cmであり、アームの長さの差ΔL ≈ 16 cmを許容する）。反射されたビームは再結合して円形の干渉縞を形成し、Pで撮影された。スリットSにより、リングの直径にわたる複数の露光が、1日の異なる時間に単一の写真乾板に記録された。

一方のアームをもう一方のアームよりもずっと短くすると、地球の速度の変化により光線の移動時間が変化し、光源の周波数が同じ値に変わらない限り干渉縞が移動する。このような干渉縞の移動があったかどうかを判断するために、干渉計を非常に安定させ、後の比較のために干渉パターンを撮影した。検証は何か月間も行われたが、大きな干渉縞の移動は見つからなかったため（誤差の範囲内である10±10 km/sの速度に相当）、特殊相対性理論により予測されたように時間の遅れが生じていると結論付けられた。