Ещё раз опостоянстве скорости света
Евгений Александров,
академик
«жизнь и Наука» №8, 2011
Особая теория относительности (СТО), без сомнений, самая известная из физических теорий. Популярность СТО связана с простотой её ключевых принципов, поражающей воображение парадоксальностью выводов и её главным положением в физике ХХ века. СТО принесла невиданную славу Эйнштейну, и эта слава стала одной из обстоятельств неустанных попыток ревизии теории.
В среде специалистов споры около СТО закончились уже более полувека назад. Но и сейчас редакции физических изданий всегда осаждают любители, предлагающие варианты пересмотра СТО. И, например, II постулата, утверждающего постоянство скорости света для всех инерциальных совокупностей отсчёта и её независимость от скорости источника (несложнее говоря, в какую бы сторону от наблюдателя и с какой бы скоростью ни двигался замечаемый объект, отправленный с него световой луч имел бы всё ту же скорость, примерно равную 300 тысячам километров в секунду, не больше и не меньше).
Критики СТО, к примеру, утверждают, что скорость света вовсе не постоянна, а изменяется для наблюдателя в зависимости от скорости источника (баллистическая догадка) и только несовершенство измерительной техники не разрешает доказать это экспериментально. Баллистическая догадка восходит к Ньютону, разглядывавшему свет в виде потока частиц, скорость которых понижается в преломляющей среде. Данный взор возродился с возникновением фотонной концепции Планка—Эйнштейна, что придавало убедительную наглядность идее сложения скорости света со скоростью источника по аналогии со скоростью боеприпаса, вылетающего из движущейся пушки.
В наши дни подобные наивные попытки пересмотра СТО в важные научные издания попасть конечно же не смогут, но переполняют СМИ и интернет, что очень безрадосно отражается на состоянии умов массового читателя, включая школьников и студентов.
Нападки на теорию Эйнштейна — как в начале прошедшего столетия, так и сейчас — мотивируются разночтениями в трактовке и оценке экспериментальных результатов по измерению скорости света, первый из которых, к слову, был совершён ещё в первой половине 50-ых годов XIX века выдающимся французским учёным Арманом Ипполитом Луи Физо. В середине прошедшего столетия это побудило тогдашнего президента Академии наук СССР С. И. Вавилова озаботиться разработкой проекта демонстрации независимости скорости света от скорости источника.
К тому времени постулат о независимости скорости света прямо подтверждался лишь астрономическими наблюдениями двойных звёзд. По идее голландского астролога Виллема де Ситтера, в случае если скорость света зависит от скорости источника, траектории перемещения двойных звёзд должны были бы как следует различаться от замечаемых (согласующихся с небесной механикой).
Но данный довод встретил возражение, которое связано с учётом роли межзвёздного газа, что в качестве преломляющей среды рассматривался как вторичный источник света. Критики утверждали, что свет, испущенный вторичным источником, «теряет память» о скорости первичного источника по мере распространения в межзвёздной среде, по причине того, что фотоны источника поглощаются, а после этого переизлучаются средой снова. Потому, что информацию об данной среде известны только с большими допущениями (как и безотносительные значения расстояний до звёзд), такая позиция разрешала подвергнуть сомнению большая часть астрономических доказательств постоянства скорости света.
С. И. Вавилов внес предложение собственному докторанту А. М. Бонч-Бруевичу спроектировать установку, в которой источником света стал бы пучок стремительных возбуждённых атомов. В ходе детальной проработки замысла опыта оказалось, что шансов на надёжный итог нет, потому, что техника того времени не разрешала взять пучки плотности и нужной скорости. Опыт не был осуществлён.
С того времени разные попытки экспериментального доказательства II постулата СТО предпринимались много раз. Авторы соответствующих работ приходили к выводу о справедливости постулата, что, но, не прекращало потока критических выступлений, в которых или выдвигались возражения против идей опытов, или ставилась под сомнение их точность. Последнее было связано, в большинстве случаев, с незначительностью достижимой скорости источника излучения по сравнению со скоростью света.
Но сейчас физика владеет инструментом, разрешающим возвратиться к предложению С. И. Вавилова. Это синхротронный излучатель, где весьма броским источником света помогает сгусток электронов, двигающийся по искривлённой траектории со скоростью, фактически неотличимой от скорости света с. В таких условиях легко померить скорость испущенного света в идеальном лабораторном вакууме.
По логике приверженцев баллистической догадки эта скорость должна быть равна удвоенной скорости света от неподвижного источника! Найти таковой эффект (при его существования) не составило бы труда: достаточно время прохождения световым импульсом мерного отрезка в вакуумированном пространстве.
Очевидно, для опытных физиков нет никаких сомнений в ожидаемом результате. В этом смысле опыт ненужен. Но прямая демонстрация постоянства скорости света имеет громадную дидактическую сокровище, ограничивая землю для предстоящих спекуляций о недоказанности баз теории относительности.
Физика в собственном развитии всегда возвращалась к уточнению и воспроизведению основополагающих опытов, осуществляемых с новыми техвозможностями. В этом случае не ставится цель уточнить скорость света. Речь заходит о восполнении исторической недоработки в экспериментальном обосновании истоков СТО, что должно уменьшить восприятие данной достаточно парадоксальной теории.
Возможно заявить, что речь заходит о демонстрационном опыте для будущих книжек физики.
Таковой опыт сравнительно не так давно осуществлён группой русских учёных в Курчатовском центре синхротронного излучения НИЦ КИ. В опытах в качестве импульсного источника света употреблялся источник синхротронного излучения (СИ) — накопитель электронов «Сибирь-1». СИ электронов, разогнанных до релятивистских скоростей (родных к скорости света), имеет широкий спектр от инфракрасного и видимого до рентгеновского диапазона.
Излучение распространяется в узком конусе по касательной к траектории электронов по каналу отведения и выводится через сапфировое окно в воздух. В том месте свет планирует линзой на фотокатод стремительного фотоприёмника. Пучок света на пути в вакууме имел возможность перекрываться стеклянной пластиной, вводимой посредством магнитного привода. Наряду с этим по логике баллистической догадки свет, до того предположительно имевший удвоенную скорость 2с, по окончании окна должен был получить простую скорость с.
Электронный сгусток имел длину около 30 см. Проходя мимо окна отведения, он порождал в канале импульс СИ длительностью около 1 нс. Частота обращения сгустка по кольцу синхротрона составляла ~34,5 МГц, так что на выходе фотоприёмника наблюдалась периодическая последовательность маленьких импульсов, которую регистрировали посредством скоростного осциллографа.
Импульсы синхронизировались знаком высокочастотного электрического поля той же частоты 34,5 МГц, компенсирующим утраты энергии электронов на СИ. Сравнивая две осциллограммы, полученные при наличии в пучке СИ стеклянного окна и при его отсутствии, возможно было измерить отставание одной последовательности импульсов от второй, вызванное гипотетическим понижением скорости.
При длине 540 см участка канала отведения СИ от вводимого в пучок окна до выхода в воздух понижение скорости света от 2с до с должно было привести к временнoму сдвигу 9 нс. На опыте никакого сдвига не наблюдалось с точностью порядка 0,05 нс.
В дополнение к опыту совершили и прямое измерение скорости света в канале отведения путём деления длины канала на время распространения импульса, что стало причиной значению всего на 0,5% ниже табличной скорости света.
Итак, результаты опыта были, очевидно, ожидаемыми: скорость света не зависит от скорости источника в полном соответствии со II постулатом Эйнштейна. Новым стало то, что в первый раз его подтвердили прямым измерением скорости света от релятивистского источника. Чуть ли данный опыт прекратит наскоки на СТО со стороны ревнивцев славы Эйнштейна, но он значительно ограничит поле новых претензий.
elementy.ru/lib/431403?context=369876
