Евгений Александров, академик
Апуд как был — он так и есть, шестнадцать килограмм.
М.Танич (из песни к к/ф «Таинственный монах»)
Специальнаятеория относительности (СТО), несомненно, самая знаменитая из физическихтеорий. Популярность СТО связана с простотой её основных принципов, поражающейвоображение парадоксальностью выводов и её ключевым положением в физике ХХ века.СТО принесла небывалую славу Эйнштейну, и эта слава стала одной из причиннеустанных попыток ревизии теории. В среде профессионалов споры вокруг СТОпрекратились уже более полувека назад. Но и по сей день редакции физическихжурналов постоянно осаждают любители, предлагающие варианты пересмотра СТО. И, вчастности, второго постулата, утверждающего постоянство скорости света для всехинерциальных систем отсчёта и её независимость от скорости источника (прощеговоря, в какую бы сторону от наблюдателя и с какой бы скоростью ни двигалсянаблюдаемый объект, посланный с него световой луч имел бы всё ту же скорость, приблизительноравную 300 тысячам километров в секунду, не больше и не меньше).
КритикиСТО, например, утверждают, что скорость света вовсе не постоянна, а меняетсядля наблюдателя в зависимости от скорости источника (баллистическая гипотеза) илишь несовершенство измерительной техники не позволяет доказать этоэкспериментально. Баллистическая гипотеза восходит к Ньютону, рассматривавшемусвет в виде потока частиц, скорость которых снижается в преломляющей среде.Этот взгляд возродился с появлением фотонной концепции Планка—Эйнштейна, чтопридавало убедительную наглядность идее сложения скорости света со скоростьюисточника по аналогии со скоростью снаряда, вылетающего из движущейся пушки.
Внаше время подобные наивные попытки пересмотра СТО в серьёзные научные изданияпопасть конечно же не могут, зато переполняют СМИ и интернет, что весьмапечально сказывается на состоянии умов массового читателя, включая школьников истудентов.
Нападкина теорию Эйнштейна — как в начале прошедшего столетия, так и теперь —мотивируются разночтениями в оценке и трактовке результатов экспериментов поизмерению скорости света, первый из которых, к слову, был проведён ещё в 1851 годувыдающимся французским учёным Арманом Ипполитом Луи Физо. В середине прошедшегостолетия это побудило тогдашнего президента Академии наук СССР С. И. Вавиловаозаботиться разработкой проекта демонстрации независимости скорости света отскорости источника.
Ктому времени постулат о независимости скорости света прямо подтверждался толькоастрономическими наблюдениями двойных звёзд. По идее голландского астрономаВиллема де Ситтера, если скорость света зависит от скорости источника, траекториидвижения двойных звёзд должны были бы качественно отличаться от наблюдаемых(согласующихся с небесной механикой). Однако этот аргумент встретил возражение,связанное с учётом роли межзвёздного газа, который в качестве преломляющейсреды рассматривался как вторичный источник света. Критики утверждали, что свет,испущенный вторичным источником, «теряет память» о скорости первичногоисточника по мере распространения в межзвёздной среде, потому что фотоныисточника поглощаются, а затем переизлучаются средой вновь. Поскольку данные обэтой среде известны лишь с очень большими допущениями (как и абсолютныезначения расстояний до звёзд), такая позиция позволяла подвергнуть сомнениюбольшинство астрономических доказательств постоянства скорости света.
С.И. Вавилов предложил своему докторанту А. М. Бонч-Бруевичу спроектироватьустановку, в которой источником света стал бы пучок быстрых возбуждённыхатомов. В процессе детальной проработки плана эксперимента оказалось, чтошансов на надёжный результат нет, поскольку техника того времени не позволялаполучить пучки нужной скорости и плотности. Эксперимент не был осуществлён.
Стех пор различные попытки экспериментального доказательства второго постулатаСТО предпринимались неоднократно. Авторы соответствующих работ приходили квыводу о справедливости постулата, что, однако, не прекращало потокакритических выступлений, в которых либо выдвигались возражения против идейэкспериментов, либо ставилась под сомнение их точность. Последнее было связано,как правило, с незначительностью достижимой скорости источника излучения посравнению со скоростью света.
Однакосегодня физика обладает инструментом, позволяющим вернуться к предложению С. И.Вавилова. Это синхротронный излучатель, где очень ярким источником света служитсгусток электронов, двигающийся по искривлённой траектории со скоростью, практическинеотличимой от скорости света с. В таких условиях легко померить скоростьиспущенного света в безукоризненном лабораторном вакууме. По логике сторонниковбаллистической гипотезы эта скорость должна быть равна удвоенной скорости светаот неподвижного источника! Обнаружить такой эффект (в случае его существования)не составило бы труда: достаточно просто измерить время прохождения световымимпульсом мерного отрезка в вакуумированном пространстве.
Разумеется,для профессиональных физиков нет никаких сомнений в ожидаемом результате. В этомсмысле опыт бесполезен. Однако прямая демонстрация постоянства скорости светаимеет большую дидактическую ценность, ограничивая почву для дальнейшихспекуляций о недоказанности основ теории относительности. Физика в своёмразвитии постоянно возвращалась к воспроизведению и уточнению основополагающихэкспериментов, осуществляемых с новыми техническими возможностями. В данномслучае не ставится цель уточнить скорость света. Речь идёт о восполненииисторической недоработки в экспериментальном обосновании истоков СТО, чтодолжно облегчить восприятие этой достаточно парадоксальной теории. Можно сказать,что речь идёт о демонстрационном опыте для будущих учебников физики.
Такойопыт недавно осуществлён группой российских учёных в Курчатовском центресинхротронного излучения НИЦ КИ. В экспериментах в качестве импульсногоисточника света использовался источник синхротронного излучения (СИ) —накопитель электронов «Сибирь-1». СИ электронов, разогнанных до релятивистскихскоростей (близких к скорости света), имеет широкий спектр от инфракрасного ивидимого до рентгеновского диапазона. Излучение распространяется в узком конусепо касательной к траектории электронов по каналу отведения и выводится черезсапфировое окно в атмосферу. Там свет собирается линзой на фотокатод быстрогофотоприёмника. Пучок света на пути в вакууме мог перекрываться стеклянной пластиной,вводимой с помощью магнитного привода. При этом по логике баллистическойгипотезы свет, до того предположительно имевший удвоенную скорость 2с, послеокна должен был обрести обычную скорость с.
Электронныйсгусток имел длину около 30 см. Проходя мимо окна отведения, он порождал вканале импульс СИ длительностью около 1 нс. Частота обращения сгустка по кольцусинхротрона составляла ~34, 5 МГц, так что на выходе фотоприёмника наблюдаласьпериодическая последовательность коротких импульсов, которую регистрировали спомощью скоростного осциллографа. Импульсы синхронизировались сигналомвысокочастотного электрического поля той же частоты 34, 5 МГц, компенсирующимпотери энергии электронов на СИ. Сравнивая две осциллограммы, полученные приналичии в пучке СИ стеклянного окна и при его отсутствии, можно было измеритьотставание одной последовательности импульсов от другой, вызванноегипотетическим снижением скорости. При длине 540 см участка канала отведения СИ от вводимого в пучок окна до выхода в атмосферу снижение скоростисвета от 2с до с должно было привести к временнoму сдвигу 9 нс. На опытеникакого сдвига не наблюдалось с точностью порядка 0, 05 нс.
Вдополнение к опыту провели и прямое измерение скорости света в канале отведенияпутём деления длины канала на время распространения импульса, что привело кзначению всего на 0, 5% ниже табличной скорости света.
Итак,результаты эксперимента оказались, разумеется, ожидаемыми: скорость света не зависитот скорости источника в полном соответствии со вторым постулатом Эйнштейна.Новым стало то, что впервые его подтвердили прямым измерением скорости света отрелятивистского источника. Едва ли этот эксперимент прекратит наскоки на СТО состороны ревнивцев славы Эйнштейна, однако он существенно ограничит поле новыхпретензий.
Деталиэксперимента описаны в статье, которая будет опубликована в одном из ближайшихномеров журнала «Успехи физических наук»
Список литературы
«Наукаи жизнь» №8, 2011
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта elementy.ru/