Євген Александров, академік
А пуд як був - він так і є, шістнадцять кілограм.
М. Таніч (з пісні до к/ф В«Таємничий монахВ»)
Спеціальна теорія відносності (СТО), безсумнівно, сама знаменита з фізичних теорій. Популярність СТО пов'язана з простотою її основних принципів, що вражає уяву парадоксальністю висновків і її ключовим положенням у фізиці ХХ століття. СТО принесла небувалу славу Ейнштейну, і ця слава стала однією з причин невпинних спроб ревізії теорії. У середовищі професіоналів суперечки навколо СТО припинилися вже понад півстоліття тому. Але й донині редакції фізичних журналів постійно осаджують любителі, що пропонують варіанти перегляду СТО. І, в Зокрема, другого постулату, який стверджує сталість швидкості світла для всіх інерційних систем відліку і її незалежність від швидкості джерела (простіше кажучи, в яку б сторону від спостерігача і з якою б швидкістю ні рухався спостережуваний об'єкт, посланий з нього світловий промінь мав би все ту ж швидкість, приблизно рівну 300 тисячам кілометрів в секунду, не більше і не менше).
Критики СТО, наприклад, стверджують, що швидкість світла зовсім не постійна, а змінюється для спостерігача в залежності від швидкості джерела (балістична гіпотеза) і лише недосконалість вимірювальної техніки не дозволяє довести це експериментально. Балістична гіпотеза сходить до Ньютона, розглядає світло у вигляді потоку частинок, швидкість яких знижується в заломлюючої середовищі. Цей погляд відродився з появою фотонній концепції Планка-Ейнштейна, що надавало переконливу наочність ідеї складання швидкості світла зі швидкістю джерела за аналогією зі швидкістю снаряда, що вилітає з рухомої гармати.
В наш час подібні наївні спроби перегляду СТО в серйозні наукові видання потрапити звичайно ж не можуть, зате переповнюють ЗМІ та інтернет, що вельми сумно позначається на стані умов масового читача, включаючи школярів і студентів.
Нападки на теорію Ейнштейна - як н
а початку минулого століття, так і тепер - мотивуються різночитаннями в оцінці та трактуванні результатів експериментів по вимірюванню швидкості світла, перший з яких, до слова, був проведений ще в 1851 році видатним французьким вченим Арманом Іполитом Луї Фізо. У середині минулого сторіччя це спонукало тодішнього президента Академії наук СРСР С. І. Вавілова потурбуватися розробкою проекту демонстрації незалежності швидкості світла від швидкості джерела.
До того часу постулат про незалежність швидкості світла прямо підтверджувався тільки астрономічними спостереженнями подвійних зірок. По ідеї голландського астронома Віллема де Ситтера, якщо швидкість світла залежить від швидкості джерела, траєкторії руху подвійних зірок повинні були б якісно відрізнятися від спостережуваних (Узгоджуються з небесною механікою). Однак цей аргумент зустрів заперечення, пов'язане з урахуванням ролі міжзоряного газу, який у якості заломлюючої середовища розглядався як вторинне джерело світла. Критики стверджували, що світ, іспущенний вторинним джерелом, В«втрачає пам'ятьВ» про швидкість первинного джерела у міру поширення в міжзоряному середовищі, тому що фотони джерела поглинаються, а потім перевипромінюють середовищем знову. Оскільки дані про цьому середовищі відомі лише з дуже великими допущеннями (як і абсолютні значення відстаней до зірок), така позиція дозволяла поставити під сумнів більшість астрономічних доказів сталості швидкості світла.
С. І. Вавілов запропонував своєму докторанту А. М. Бонч-Бруєвича спроектувати установку, в якій джерелом світла став би пучок швидких порушених атомів. У процесі детального опрацювання плану експерименту виявилося, що шансів на надійний результат немає, оскільки техніка того часу не дозволяла отримати пучки потрібної швидкості і щільності. Експеримент не був здійснений.
З Відтоді різні спроби експериментального докази Другий постулат СТО робилися неодноразово. Автори відповідних робіт приходили до висновку про справедливість постулату, що, однак, не припиняло потоку критичних виступів, у яких або висувалися заперечення проти ідей експериментів, або ставилася під сумнів їх точність. Останнє було пов'язане, як правило, з незначністю досяжної швидкості джерела випромінювання по порівняно зі швидкістю світла.
Однак сьогодні фізика володіє інструментом, що дозволяє повернутися до пропозиції С. І. Вавілова. Це синхротронного випромінювач, де дуже яскравим джерелом світла служить згусток електронів, що рухається по викривленій траєкторії зі швидкістю, практично неотличимой від швидкості світла с. У таких умовах легко поміряти швидкість іспущенного світла в бездоганному лабораторному вакуумі. За логікою прихильників балістичної гіпотези ця швидкість повинна бути дорівнює подвоєній швидкості світла від нерухомого джерела! Виявити такий ефект (у разі його існування) не склало б труднощів: достатньо просто виміряти час проходження світловим імпульсом мірного відрізка в вакуумованому просторі.
Зрозуміло, для професійних фізиків немає ніяких сумнівів в очікуваному результаті. У цьому сенсі досвід даремний. Однак пряма демонстрація сталості швидкості світла має велику дидактичну цінність, обмежуючи грунт для подальших спекуляцій про недоведеність основ теорії відносності. Фізика в своєму розвитку постійно поверталася до відтворення та уточнення основоположних експериментів, здійснюваних з новими технічними можливостями. В даному випадку не ставиться мета уточнити швидкість світла. Мова йде про заповненні історичної недоробки в експериментальному обгрунтуванні витоків СТО, що повинно полегшити сприйняття цієї досить парадоксальною теорії. Можна сказати, що мова йде про демонстраційному досліді для майбутніх підручників фізики.
Такий досвід нещодавно здійснений групою російських вчених в Курчатовському центрі синхротронного випромінювання НДЦ КІ. В експериментах в якості імпульсного джерела світла використовувався джерело синхротронного випромінювання (СІ) - накопичувач електронів В«Сибір-1В». СІ електронів, розігнаних до релятивістських швидкостей (близьких до швидкості світла), має широкий спектр від інфрачервоного та видимого до рентгенівського діапазону. Випромінювання поширюється у вузькому конусі по дотичній до траєкторії електронів по каналу відведення і виводиться через сапфірове вікно в атмосферу. Там світло збирається лінзою на фотокатод швидкого фотоприймача. Пучок світла на шляху у вакуумі міг перекриватися скляною пластиною, вводиться за допомогою магнітного приводу. При цьому за логікою балістичної гіпотези світло, до того імовірно мав подвоєну швидкість 2с, після вікна повинен був набути звичайну швидкість с.
Електронний згусток мав довжину близько 30 см. Проходячи повз вікна відведення, він породжував у каналі імпульс СІ тривалістю близько 1 нс. Частота звернення згустку по кільцю синхротрона становила ~ 34, 5 МГц, так що на виході фотоприймача спостерігалася періодична послідовність коротких імпульсів, яку реєстрували з допомогою швидкісного осцилографа. Імпульси синхронізувалися сигналом високочастотного електричного поля тієї ж частоти 34, 5 МГц, компенсуючим втрати енергії електронів на СІ. Порівнюючи дві осцилограми, отримані при наявності в пучку СІ скляного вікна і при його відсутності, можна було виміряти відставання однієї послідовності імпульсів від іншої, викликане гіпотетичним зниженням швидкості. При довжині 540 см ділянки каналу відведення СІ від введеного в пучок вікна до виходу в атмосферу зниження швидкості світла від 2с до с повинно було привести до временнoму зрушенню 9 нс. На досвіді ніякого зсуву не спостерігалося з точністю порядку 0, 05 нс.
В доповнення до досвіду провели і пряме вимірювання швидкості світла в каналі відведення шляхом ділення довжини каналу на час поширення імпульсу, що призвело до значенням всього на 0, 5% нижче табличній швидкості світла.
Отже, результати експерименту виявилися, зрозуміло, очікуваними: швидкість світла не залежить від швидкості джерела в повній відповідності з другим постулатом Ейнштейна. Новим стало те, що вперше його підтвердили прямим вимірюванням швидкості світла від релятивістського джерела. Навряд чи цей експеримент припинить наскоки на СТО зі боку ревнивців слави Ейнштейна, однак він суттєво обмежить поле нових претензій.
Деталі експерименту описані в статті, яка буде опублікована в одному з найближчих номерів журналу В«Успіхи фізичних наукВ»
Список літератури
В«Наука і життя В»№ 8, 2011
Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту elementy.ru/
