Демонстрационный опыт для учебников физики

Второй постулат специальной теории относительности Эйнштейна доказан прямым экспериментом

        В заключение доклада «Роль естествознания в диалоге культур эпохи глобализации», сделанного в СПб союзе ученых 17.04.11, акад. Е.Б. Александров упомянул свою с коллегами новую научную работу, развенчивающую притязания на пересмотр теории относительности Эйнштейна. Редакция сайта обратилась к нему с просьбой рассказать об этой работе. Приводим ответ Евгения Борисовича.

По сей день редколлегии физических журналов находятся в постоянной осаде любителей, предлагающих варианты пересмотра специальной теории относительности (СТО). Не прекращаются попытки ее опровержения или существенного пересмотра, которые мотивируются недостаточной убедительностью экспериментальных подтверждений её основ и, в частности, второго постулата, утверждающего постоянство скорости света и её независимость от скорости его источника. При этом чаще всего критике подвергаются ранние эксперименты, 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. Ситуация обострилась в годы празднования 100-летнего юбилея теории относительности. Своеобразно отметил этот юбилей Санкт-Петербургский Политехнический университет, переиздавший в 2009 г. претенциозную монографию «Мифы теории относительности» А.А. Денисова, чьи экстравагантные построения были 20 лет назад опровергнуты преподавателями этого же университета.

Вместе с тем, недоверие к СТО (со стороны не обремененной знаниями части общественности) 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 то время уже существовало множество совершенно неоспоримых свидетельств справедливости СТО, накопленных по мере развития ядерной физики с её инструментарием ускорителей, само инженерное воплощение которых было невозможным без использования теории относительности. Однако, это знание оставалось уделом профессионалов, в то время как популярные изложения СТО апеллировали к исторической традиции подтверждения теории лишь шаткими экспериментами Майкельсона. Именно этот разрыв понимания меры обоснованности СТО между профессионалами и широкой публикой подвиг С.И. Вавилова на проект демонстрации независимости скорости света от скорости источника в эксперименте с прямым измерением скорости света, испущенного быстро движущимся источником.

К этому времени постулат о независимости скорости света прямо подтверждался только астрономическими наблюдениями двойных звёзд. По идее де-Ситтера, в случае зависимости скорости света от скорости источника траектории движения двойных звёзд должны были бы качественно отличаться от наблюдаемых (согласующихся с небесной механикой). Однако этот аргумент де-Ситтера встретил возражение, связанное с учётом роли межзвёздного газа, который в качестве преломляющей среды рассматривался как вторичный источник света. С этой точки зрения свет, испущенный движущимся источником, теряет память о скорости первичного источника по мере распространения в межзвёздной среде. Поскольку данные об этой среде известны лишь с очень большими допусками (как и абсолютные значения расстояний до звёзд), эта позиция позволяет подвергнуть сомнению большинство астрономических доказательств постоянства скорости света.

С.И. Вавилов предложил А.М. Бонч-Бруевичу спроектировать установку, в которой источником света был бы пучок быстрых возбуждённых атомов. Но в процессе детальной проработки плана эксперимента оказалось, что нет шансов получить надёжный результат, поскольку при технике того времени нельзя было рассчитывать на пучки нужной скорости и плотности. Поэтому опыт не был осуществлён.

Позже план эксперимента был пересмотрен по инициативе академика Г.С. Ландсберга, который предложил сравнивать скорость света, испускаемого двумя экваториальными краями вращающегося Солнца. Но результат этого опыта не мог рассматриваться как доказательство независимости скорости света от скорости источника, потому что свет Солнца перед измерением пропускался через стеклянный объектив телескопа, что по логике концепции переизлучения света преломляющей средой приводило к уравниванию скоростей двух пучков света (не говоря уже о влиянии земной атмосферы).

Но сегодня наступило время вернуться к предложению С.И. Вавилова, потому что физика имеет в руках синхротронный излучатель, где источником света служит сгусток электронов, двигающийся со скоростью, очень близкой к скорости света. В этих условиях легко померить скорость испущенного света в безукоризненном лабораторном вакууме. По логике «корпускулярно-баллистической гипотезы» Ритца-Ньютона эта скорость должна быть практически равна удвоенной скорости света от неподвижного источника как результат классического сложения скорости частицы света - фотона со скоростью излучателя. Если бы этот эффект действительно существовал, его доказательство не потребовало бы особых ухищрений: достаточно просто измерить время прохождения световым импульсом мерного отрезка в вакуумированном пространстве.

Вот эта задача и решалась в проведенных нами экспериментах, где в качестве импульсного источника света использовался источник синхротронного излучения (СИ) – накопитель электронов Сибирь-1 в Курчатовском центре.

В работе осуществлено – насколько нам известно, впервые – прямое измерение скорости света, испущенного ультрарелятивистским источником. Полученные результаты оказались несовместимы с гипотезой Ритца. Показано, что введение в пучок света препятствия в виде стеклянной пластинки не изменило его скорость, в то время как по логике этой гипотезы она должна была упасть вдвое. Результаты измерений могут рассматриваться в качестве наиболее прямого доказательства справедливости второго постулата СТО.

Разумеется, у профессиональных физиков и так не было никаких сомнений в справедливости второго постулата СТО, и в этом смысле проведенный 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 ставилась цель уточнить скорость света. Речь шла о восполнении исторической недоработки в экспериментальном обосновании истоков СТО, что должно облегчить восприятие этой достаточно парадоксальной теории. Можно сказать, что речь идёт о демонстрационном опыте для будущих учебников физики.

Полный отчет о нашей работе со всеми деталями публикуется в журнале «Успехи физических наук».

наверх