Опыт для будущих учебников физики

Альберт ЭйнштейнАльберт Эйнштейн

Фотография: wikipedia.org

 

Первое прямое экспериментальное подтверждение второго постулата специальной теории относительности осуществили российские физики. Руководитель работы академик РАН Евгений Александров рассказал «Газете.Ru» о своем эксперименте и его значении.

— Специальная теория относительности (СТО), созданная Альбертом Эйнштейном, является самой знаменитой из физических теорий. Но до сих пор в СМИ часто появляются сообщения о якобы найденном опровержении СТО. Подвергает ли сомнению эту теорию кто-нибудь из профессиональных физиков или подобные опровержения — деятельность так называемых научных фриков?

 

— Популярность СТО связана с простотой её основных принципов, поражающей воображение парадоксальностью выводов и её ключевым положением в физике двадцатого века. СТО принесла небывалую славу Эйнштейну, и именно эта слава стала одной из причин неустанных попыток ревизии теории. В среде профессионалов споры вокруг СТО прекратились уже более полувека назад.

Но, действительно, по сей день редколлегии физических журналов находятся в постоянной осаде любителей, предлагающих варианты пересмотра СТО.

Ситуация обострилась в годы празднования столетнего юбилея теории относительности, отсчитанного от даты публикации исторической работы Эйнштейна, считающейся днём рождения СТО (1905 год). Существует несметное множество критических выступлений. В качестве примера можно привести обзорную статью Н. Носкова, разоблачающую «столетний релятивистский обман», и недавнее выступление Соколовых, возрождающих старинную «баллистическую» гипотезу Ритца. Юбилей СТО своеобразно отметил Санкт-Петербургский политехнический университет, переиздавший в 2009 году претенциозную монографию «Мифы теории относительности» А. А. Денисова, чьи экстравагантные построения были 20 лет назад опровергнуты преподавателями этого же университета.

— Какие «слабые места» находят в СТО ее критики?

— Попытки опровержения или существенного пересмотра СТО не прекращаются, несмотря на существование бесчисленных свидетельств справедливости выводов СТО. Эти попытки мотивируются недостаточной убедительностью экспериментальных подтверждений её основ, в частности второго постулата, утверждающего постоянство скорости света для всех инерциальных систем отсчёта и её независимость от скорости источника.

При этом чаще всего критике подвергаются ранние эксперименты по поиску «эфирного ветра», которые традиционно рассматриваются как едва ли не единственное опытное доказательство справедливости СТО.

Не проникая в серьёзную научную литературу, попытки пересмотра СТО переполняют СМИ и интернет, что не может не дезориентировать массового читателя, включая школьников и студентов.

Вместе с тем недоверие в отношении СТО (со стороны не обремененного знаниями общественного мнения) существовало и 60 лет назад, когда академик С. И. Вавилов поручил своему докторанту А. М. Бонч-Бруевичу эксперимент по прямой проверке второго постулата СТО.

— В чем заключалась суть этого эксперимента?

— Вавилов предложил своему ученику спроектировать установку, в которой источником света был бы пучок быстрых возбуждённых атомов. В процессе детальной проработки плана эксперимента оказалось, что нет шансов получить надёжный результат, поскольку при технике тех дней нельзя было рассчитывать на пучки нужной скорости и плотности: ожидаемая в рамках баллистической гипотезы добавка к скорости света оказывалась на уровне процентов, а интенсивность излучения пучка оценивалась слишком низкой. Опыт не был осуществлён.

За последние несколько десятков лет различные попытки экспериментального доказательства второго постулата СТО неоднократно предпринимались учеными. Все авторы соответствующих работ приходили к выводу о справедливости постулата.

Но это не прекращало критических выступлений, в которых выдвигались возражения против идей экспериментов или ставилась под сомнение их точность.

Последнее связано, как правило, с малой достижимой скоростью движения источника излучения по сравнению со скоростью света.

— Но теперь эксперимент Вавилова удалось осуществить вам и вашим коллегам на базе Курчатовского центра синхротронного излучения. Расскажите об этом подробнее.

— Нам удалось реализовать эксперимент, предложенный Вавиловым, в первоначальной красоте, потому что сегодня физика имеет в руках чрезвычайно яркий ультрарелятивистский источник.

Это синхротронный излучатель, где источником света служит сгусток электронов, двигающийся по искривлённой траектории со скоростью, очень близкой к скорости света.

 

Описание установки и схема эксперимента

В экспериментах в качестве импульсного источника света использовался источник синхротронного излучения (СИ) – накопитель электронов Сибирь-1 в Курчатовском центре синхротронного излучения НИЦ КИ. 

Эксперимент проводился согласно следующим двум схемам. В эксперименте по первой схеме было проведено сравнение времени распространения импульса СИ в вакууме на контрольном отрезке пути для двух случаев: 1) импульс СИ поступал на вход контрольного отрезка пути, проходя сквозь открытую диафрагму; 2) импульс СИ поступал на вход контрольного отрезка пути, проходя сквозь диафрагму, закрытую тонкой стеклянной пластинкой, прозрачной в спектральном диапазоне видимого света. Смена окна диафрагмы (открыто или со стеклом) осуществлялось дистанционно в оперативном режиме простым движением диафрагмы перпендикулярно направлению распространения пучка СИ. В эксперименте по второй схеме осуществлялось прямое измерение скорости импульса СИ в вакууме путем деления величины пути, пройденного светом, на время прохождения этого пути.

В первой версии измерялся сдвиг оптических импульсов во времени при введении в луч СИ стеклянной пластинки. Сдвиг не был обнаружен с точностью около 0,05 нс. (При ожидавшейся «классической» задержке 9 нс, задержка, связанная с преломлением света в тонкой пластинке, пренебрежимо мала.) Во второй версии эксперимента была непосредственно измерена скорость импульса СИ. Она оказалась равной 2,99×1010 см/c, что всего лишь на ~0.3% ниже табличной скорости света в вакууме. Среднеквадратичная случайная ошибка измерения оценена величиной ±0,2%. Систематическая ошибка определяется точностью измерения длин траектории электронного пучка и луча СИ и не превышает ±0,5%.


 

В этих условиях легко измерить скорость испущенного света в безукоризненном лабораторном вакууме. По логике баллистической гипотезы эта скорость должна быть равна удвоенной скорости света от неподвижного источника! Это весьма грубый эффект, обнаружение которого (в случае его существования) не потребовало бы специальных ухищрений. Действительно, достаточно просто измерить время прохождения световым импульсом мерного отрезка в вакуумированном пространстве.

Можно сказать, что речь идёт о демонстрационном опыте для будущих учебников физики.

Насколько я знаю, нами впервые было осуществлено прямое измерение скорости света, испущенного ультрарелятивистским источником.

— В чем значение вашего эксперимента?

— Откладывая обсуждение деталей и конкретных вариантов эксперимента, имеет смысл суммировать аргументы в пользу целесообразности самой постановки такого опыта. Разумеется, для профессиональных физиков нет никаких сомнений в ожидаемом результате. В этом смысле опыт бесполезен.

Однако прямая демонстрация постоянства скорости света имеет большую дидактическую ценность, ограничивая почву для дальнейших спекуляций о недоказанности основ теории относительности.

Физика в своём развитии постоянно возвращалась к воспроизведению и уточнению основополагающих экспериментов, осуществляемых с новыми техническими возможностями. В данном случае не ставится цель уточнить скорость света. Речь идёт о восполнении исторической недоработки в экспериментальном обосновании истоков СТО, что должно облегчить восприятие этой достаточно парадоксальной теории.