К вопросу о прямом измерении скорости света :
advertisement
К вопросу о прямом измерении скорости света А.К. Юхимец, E-mail: Anatoly.Yuhimec@Gmail.com «Мы должны найти такой приём исследования, при котором мы могли бы сопровождать каждый свой шаг ясным физическим изображением явления.» Д.К. Максвелл Уже более двух лет назад в журнале «Наука и жизнь» [1], а потом и в других журналах [2-4] появилось сообщение академика Е.Б. Александрова о том, что ему вместе с группой сотрудников с разных научных организаций удалось выполнить уникальный эксперимент по прямому измерению скорости света от движущегося с огромной скоростью источника излучения. Источником излучения был пучок электронов, разогнанных в ускорителе до скорости близкой к скорости света. Так как указанный эксперимент был проведен по инициативе и под идейным руководством именно Евгения Борисовича, а остальные его соавторы практически выполняли роль технических исполнителей, то дальше я буду называть его просто экспериментом Александрова, не желая при этом никого обидеть. Он академик, он всё организовал – он за всё и отвечает. \ Эксперимент имел две цели: 1) опровергнуть баллистическую гипотезу Ритца о распространении света от источника; 2) доказать прямым измерением справедливость второго постулата специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна о законе распространения света от своего источника. Гипотеза Ритца вполне понятна – источник выстреливает свет (фотоны) как пушка выстреливает снаряды. Если пушка движется со скоростью u, то собственная скорость снаряда с относительно пушки складывается со скоростью движения самой пушки. Т.е. вперёд снаряд летит со скоростью с+u, а назад – со скоростью с-u. Так что тут поставленная цель предельно проста – измерим и всё увидим. Со второй целью всё обстоит намного хуже. Здесь в самый раз задать вопрос: а знали ли участники эксперимента, что конкретно хотят измерять? Так как ни в одной из работ Эйнштейна нет чёткой однозначной формулировки постулата о законе распространения света в природе как таковой [5], то обратимся к статье [1]. Смотрим, что сказано у Александрова: «В среде профессионалов споры вокруг СТО прекратились уже более полувека назад. Но и по сей день редакции физических журналов постоянно осаждают любители, предлагающие варианты пересмотра СТО. И, в частности, второго постулата, утверждающего постоянство скорости света для всех инерциальных систем отсчёта и её независимость от скорости источника (проще говоря, в какую бы сторону от наблюдателя и с какой бы скоростью ни двигался наблюдаемый объект, посланный с него световой луч имел бы всё ту же скорость, приблизительно равную 300 тысячам километров в секунду, не больше и не меньше)». Последуем совету Максвелла и постараемся «сопровождать каждый свой шаг ясным физическим изображением явления». Напомню, что будем рассматривать распространение света в среде физического вакуума. В таких случаях обычно пишут просто в вакууме. Это порождает у читателя иллюзию, что свет распространяется в пустоте, как и считал Эйнштейн при создании своей трактовки СТО. После создания своей общей теории относительности (ОТО) он всё же осознал, что никакой пустоты в природе нет. Реальное мировое пространство (далее просто реальное пространство) было признано материальной физической средой (вакуумом физическим), которую физики по своей скромности назвали «некоторым аналогом эфира», который до этого без всякой скромности был просто из физики изгнан. И хотя сам Эйнштейн пришёл к выводу, что без реальной физической среды, т.е. эфира, не могли бы 1 существовать ни тела, ни сам свет и его распространение, но ничего в своей теории не исправил. Поэтому Александров в своих статьях всё ещё продолжает писать: «Майкельсон объявил результат нулевым. Это означало, что «мирового эфира», то есть некоторой неподвижной среды, в которой распространяется свет (аналогично воздуху, в котором распространяется звук), не существует» [4]. А наряду с этим указывает и то, что «мы измеряли скорость света в вакууме». Евгений Борисович, значит всё же измеряли скорость света в материальной среде реального физического пространства, в котором находится и наша матушка Земля, и все мы, и Ваша установка, из которой откачали воздух. Но вернёмся всё же к наблюдателю и распространению света от излучающего объекта и разберёмся, что же конкретно следовало измерять и доказывать. Итак, постулируется, что свет от импульсной вспышки от покоящегося точечного объекта А распространяется со скоростью с сферически, рис. 1а. Свет от такой же вспышки от такого же движущегося объекта далее распространяется со скоростью с сферически от точки излучения, рис. 1б, т.е. уже независимо от движения объекта. а) б) c А О c А х v О х Рис. 1. а) Распространение света от импульсной вспышки покоящимся объектом А. б) Распространение света от импульсной вспышки движущимся объектом А. Наблюдатель находится в точке О. Всё просто и наглядно. Осталось только уточнить, что означает «покоящийся объект»? Но если свет в соответствии с электродинамикой Д.К. Максвелла распространяется сферически от точки излучения в реальном пространстве, то и на рис. 1а и объект А покоится в этой же точке пространства. В этой же точке находится и наблюдатель. Свет от него во все стороны движется со скоростью с. А из рис. 1б мы видим, что даже если источник излучения движется, то для наблюдателя ничто не изменилось – свет снова движется со скоростью с во все стороны от точки излучения. Таков сам закон распространения света в природе. Но со слов Александрова на наш рисунок нужно смотреть иначе. Линия х-ов – это уже некоторая жёсткая ось системы координат (СК) некоторой инерциальной системы отсчёта (ИСО), которую может приготовить для себя любой наблюдатель. Александров, вслед за Эйнштейном, считает, что наблюдателю в СК нужно знать о ней лишь то, что она инерциальная, а потому и пригодна для создания ИСО. А системой отсчёта (СО) она станет после того, как в разных точках её координатного (т.е. относительного и реально пустого) пространства наблюдатель установит эталонные часы и согласует их показания так, чтобы в любой момент они шли в фазе. Именно в этом и заключается то, что Эйнштейн назвал синхронизацией хода разноместных часов. Вот эту самую синхронизацию Эйнштейн (а до него и Г.А. Лоренц) и предложил осуществить, используя световые сигналы, считая (иначе постулируя) скорость их распространения равной с во всех направлениях от точки излучения в любой инерциальной СК. Но тут снова возникает необходимость уточнить, что же следует понимать под словом инерциальной? Ньютон считал инерциальной СК, если она покоится в абсолютном пространстве, или движется в нём прямолинейно с некоторой абсолютной скоростью без ускорения. Но если реальное пространство всё же признано физическим, то СК покоится тогда, когда её 2 координатное пространство (т.е. геометрическое) совпадает с физической средой реального пространства и покоится по отношению к ней. А если СК движется прямолинейно без ускорения, то уже её пустое метрическое координатное пространство переносится в реальном пространстве с некоторой собственной скоростью по отношению к его среде. Но релятивисты, а вместе с ними и Александров, даже после создания ОТО говоря об инерциальной СК оговаривают лишь то, что она не должна двигаться ускоренно. Кроме того, они продолжают утверждать, что мы вправе говорить только об относительных движениях одних физических объектов относительно других объектов и никакого собственного движения в реальном пространстве ни один объект не имеет. На этом ещё и сегодня построена вся «философия» релятивизма. Вот, например, что об этом сказано у Р. Фейнмана: «Одним из следствий теории относительности явилось развитие философии, которая утверждала: «Определять можно только то, что поддаётся измерению! Так как ясно, что нельзя измерить скорость, не видя, по отношению к чему она измеряется, то естественно, что понятие абсолютной скорости смысла не имеет. Физики обязаны понять, что можно говорить только о том, что поддаётся измерению» [6, т. 1-2, с. 285]. Тогда всё же возникает необходимость уточнить относительно чего СК не должна двигаться ускоренно? Чтобы разрешить этот принципиальный вопрос, современная физика после длительных поисков нашла ответ: по отношению к совокупности практически неподвижных звёзд на всём небосводе. И уже согласна с тем, что с этими звёздами можно связать некоторую привилегированную, а по сути абсолютно неподвижную, ИСО. Евгений Борисович, у Вас есть другие предложения? Если их нет, то дальше и будем называть её АСО. По отношению к ней справедливы и выводы электродинамики Максвелла. А значит и свет в своём самостоятельном распространении после излучения далее распространяется во всех направлениях с постоянной скоростью с от точки излучения, независимо от дальнейшего движения своего источника, в новоиспечённой теоретически возможной АСО. Тогда и для любого тела и любой СК уже на законных основаниях мы всё же можем ввести и их собственную скорость движения в этой АСО. Правда, измерять численно её пока затруднительно. Но главное, что вопрос решён принципиально. Если принципиальных возражений нет, то и наш рис. 1 приобретает объективно реальную основу и совершенно определённый чёткий смысл. Это уже не любая ИСО, а принципиально возможная АСО. Однако релятивисты, а вместе с ними и Александров, вслед за Эйнштейном всё же продолжают утверждать, что и по отношению к любой ИСО свет будет распространяться точно так же. Это якобы следует уже из постулируемого принципа относительности (ПО), который релятивисты также объявили законом природы. Вот как, например, подчеркнул открытый ещё А. Пуанкаре «закон природы» в своих знаменитых «Лекциях по физике» Р. Фейнман: «Согласно принципу относительности, законы физических явлений обязаны быть одинаковыми (подчёркнуто мною – А.Ю.) для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, который относительно него переносится равномерным движением, так что у нас нет и не может быть никаких способов отличить уносит ли нас такое движение, или не уносит» [там же, с. 283]. Правда, далее оговорено, если мы изолированы в своей СО от внешнего мира. Но поскольку Александров с компанией не были изолированы от внешнего мира, то знали, что, по меньшей мере, вместе с Землёй их установка летит в открытом космосе по орбите вокруг Солнца со скоростью v 30км / сек . Поэтому 3 и вторую свою цель в своём эксперименте они должны были сформулировать более чётко с учётом хотя бы этого факта. Из того, что уже здесь изложено, видно, что Александров, во-первых, даже не понимал того, какой конкретно постулат он будет доказывать экспериментально, а во-вторых, толком не осознавал, что конкретно ему нужно измерить, чтобы эксперимент можно было считать прямым измерением скорости света. Сегодня в ортодоксальной СТО считается, что согласно принципу постоянства скорости света (ППСС) он в вакууме всегда распространяется со скоростью с, независимо от движения источника, т.е. от точки излучения. И если вначале Эйнштейн постулировал этот «закон» для «покоящейся» ИСО, то позже он распространил его и на движущуюся тоже, так как они якобы принципиально ничем не должны отличаться друг от друга. Другими словами, свет движется с постоянной во всех направлениях скоростью с якобы и относительно любого инерциально движущегося тела. Это считается великим открытием Эйнштейна. А то, что ИСО не должны принципиально отличаться друг от друга и все законы физических явлений в них «обязаны быть одинаковыми» для всех инерциально движущихся наблюдателей подкреплено «открытием», которое сделал ещё Пуанкаре в отношении ПО (см. выше), и которое было подхвачено и Эйнштейном. Именно эти два «открытия» и по сей день составляют основу ортодоксальной теории. Тогда покажем наглядно, что же конкретно это должно означать. Для этого нам нужно всего лишь подкорректировать рисунок 1б, что и сделано на рис 2. с c А v О х Рис. 2. Так по «закону» Эйнштейна «обязан» распространяться свет как по отношению к точке излучения О, так и по отношению к движущемуся телу А, излучившему свет в точке О. Вот такими чудесными свойствами обладает свет! Его распространяющийся фронт просто «обязан» находиться сразу в разных местах пространства! Интересно, представлял ли себе наглядно Эйнштейн свой «закон» распространения света? И представляют ли себе это релятивисты сегодня? Правда, они могут сказать, что это только в том случае, если и в точке О остался наблюдатель, и на теле А есть свой наблюдатель. И свет не хочет никого обижать. А когда наблюдатель остаётся только в точке О, то лично для него свет теперь распространяется со скоростью с лишь по отношению к нему, а по отношению к телу А распространяется и со скоростью с-v, и с+v. И снова никому не обидно. Когда пытаешься объяснить Евгению Борисовичу, что такого в природе не может быть, он называет это просто эмоциями, основанными на бытовом здравом смысле. Тогда вернёмся всё же к принципиальной схеме его эксперимента, рис. 3. О 1 И АСО 2 Ф с L ИСО' х' v х Рис. 3. И –излучатель; Ф –фотоприёмник; О – осциллограф; L – вакуумированный участок; 1 – сигнал синхронизации и 2 – сигнал от фотоприёмника. 4 Прежде всего обратим внимание, что экспериментальная установка находится в земной лаборатории и мы условно можем связать с ней некоторую ИСО', вдоль оси х' которой и будем направлять исследуемый сигнал. Кроме того, установка вместе с Землёй движется в космическом пространстве со скоростью v 30км / сек . И мы можем допустить, что в момент измерения она двигалась вдоль оси х указанной нами выше теоретически возможной АСО, как и показано на рис. 3. Теперь проводим эксперимент. Пучок быстрых электронов излучает в точке И и дальше исчезает в кольцевом канале ускорителя. Раз на «теле» пучка нет наблюдателя, а он есть лишь в ИСО' в точке И, то по отношению к этой точке свет «обязан» далее распространяться вдоль оси х' со скоростью с. Но если пучок в момент излучения двигался с некоторой скоростью с*, то для наблюдателя в точке И свет от пучка в этот момент далее распространяется со скоростью с-с*. А если бы была верна баллистическая теория, то он должен был бы иметь скорость с+с*. Эксперимент сразу же отвергает эту теорию. А теперь представим себе такую фантастическую ситуацию (а СТО запросто расправляется с ними). Наш ускоритель линейный и пучок после излучения в точке И продолжает и дальше двигаться вдоль оси х'. Теперь и от наблюдателя в точке И свет «обязан» распространяться со скоростью с, и от виртуального наблюдателя на «теле» пучка его скорость тоже «обязана» быть с (по Эйнштейну). Но последнее утверждает и баллистическая гипотеза. А ещё по Максвеллу свет «обязан» распространяться со скоростью с во всех направлениях и от точки излучения в реальном пространстве, рис. 1а. И вот тут здравый смысл просто зашкаливает, а потому от него следует отказаться? Релятивисты, а вместе с ними и Александров, именно так и советуют поступить. Ну и Бог с ним, со здравым смыслом. Нашли о чём печалиться! Зато теперь мы наглядно видим, что для наблюдателя в точке И баллистическая гипотеза не верна, а для наблюдателя, который летит верхом на пучке электронов, как барон Мюнхгаузен на ядре, верна. Теперь должны быть довольны все, никто не в обиде. Спасибо «закону» распространения света - это его заслуга. Теперь попробуем разобраться с «прямым измерением скорости света». Здесь Александров пишет, что заранее ничего не постулирует. Вот его ответ Купряеву Н.В. из ФИАН РФ на высказанную критику: «Мы не постулировали, что скорость света в вакууме равна с. Мы считали её неизвестной (допуская даже в рамках логики баллистической гипотезы, что она может быть равна 2с). Мы измеряли скорость света в вакууме, в чём и состояла вторая часть нашей работы». Вот как измерим – так и будет. И измерили, получив «значение всего на 0,3% ниже табличной скорости света». «Среднеквадратическая случайная ошибка измерения оценена величиной ~±0.2%. Систематическая ошибка определяется точностью измерения длин траектории электронного пучка и луча СИ и не превышает ±0.5%» [2]. Итак, если даже отбросить систематическую ошибку, то только случайная ошибка измерения была порядка ±600 км/сек. Но уже с 1973 г. общепринятое табличное значение скорости света имеет погрешность всего ±1,2м/сек. Смотрим ещё раз на рис. 3. Что должен был показать прямым измерением скорости света наблюдатель, покоящийся в ИСО' в изображённый там момент? А то, что свет распространяется относительно его точки И вдоль оси х' действительно со скоростью с, а не с-v, т.е. не так, как показано на рис. 1б, а так, как показано на рис. 2. Но как его прямое измерение может доказать это, если сама погрешность измерения скорости, по самым скромным подсчётам, превышает скорость v более, чем в 20 раз? Так что о доказательстве второго постулата Эйнштейна тут и речи быть не может. 5 В своём ответе Купряеву Александров также пишет, что : «В нашей работе скорость распространения сигнала по кабелю не играла ВООБЩЕ НИКАКОЙ РОЛИ, поскольку у нас сигналы (сигнал от фотоприёмника и сигнал синхронизации) транспортировались на два входа двухлучевого осциллографа по ДВУМ ИДЕНТИЧНЫМ КАБЕЛЯМ РАВНОЙ ДЛИНЫ, что приводило к равным задержкам двух сигналов в двух каналах и никак не влияло на относительный сдвиг во времени этих сигналов. Этот относительный сдвиг и был предметом измерения, из которого однозначно вычислялась скорость света на мерном вакуумированном участке пути длиной 7,2 м.» Тут уже Александров постулирует равенство скоростей сигналов 1 и 2 на рис. 3. И в своём повторном ответе Купряеву он снова пишет: «Что касается скорости распространения сигналов по кабелям, то мы отнюдь не постулировали её равной с (на самом деле, она раза в полтора меньше) и как сказано выше, эта скорость вообще не входит в расчёты ввиду использования балансной схемы измерения». Вот в этих словах «ввиду использования балансной схемы измерения» и скрывается постулирование. Тогда ещё раз напомню ему его же «философию», что «физики обязаны понять, что можно говорить только о том, что поддаётся измерению» (см. выше). А таких измерений с балансом скорости токов в кабелях в разных направлениях относительно движения Земли, да ещё и с точностью, которая нам нужна, и вовсе нет. А что, если заменить на рис. 3 передачу сигнала по кабелям световыми сигналами? Но тогда придётся уже постулировать их скорость. Как видим, без постулирования никак не обойтись. И всё равно, даже значительно повысив точность измерения, получится, что с помощью одной неизвестной величины будем определять другую неизвестную величину. Самое разумное - постулировать скорость света с от точки излучения в среде реального пространства. Тогда в установке и по основному каналу и по каналу 1 в изображённый момент его скорость будет с-v, а по каналу 2 будет с+v. И если осциллограф расположен точно посредине основного канала, то время задержки сигнала справа с точки зрения АСО определится как L 1 v2 / c2 L 1 v2 / c2 L , где L/2 – длина канала 2. Но так как 2(c v) 2(c v) c 1 v2 / c2 в ИСО' наблюдателя в точке И ход часов реально замедлен, то для него это время t составит t t 1 v 2 / c 2 L / c . Т.е. оно зависит от длины L/2 канала 2 и не зависит от скорости v. Если осциллограф смещать от середины, то время задержки сигнала будет зависеть от длины канала 2 и скорости с, как и положено при измерении скорости света в замкнутом цикле – «туда» и «обратно». Как видим, и второй постулат Эйнштейна не доказан и прямого измерения скорости света тоже нет. Но будучи уверен, что всё у него получилось, Александров пишет: «В наше время…наивные попытки пересмотра СТО в серьёзные научные издания попасть конечно же не могут, зато переполняют СМИ и интернет, что весьма печально сказывается на состоянии умов массового читателя, включая школьников и студентов». И дальше: «Итак, результаты эксперимента оказались, разумеется, ожидаемыми: скорость света не зависит от скорости источника в полном соответствии со вторым постулатом Эйнштейна. Новым стало то, что впервые его подтвердили прямым измерением скорости света от релятивистского источника. Едва ли этот эксперимент прекратит наскоки на СТО со стороны ревнивцев славы Эйнштейна, однако он существенно ограничит поле новых претензий» [1]. И в другой статье: «Результаты измерений могут рассматриваться в качестве наиболее прямого (и окончательного) доказательства справедливости второго 6 постулата СТО» [2]. А вот и в журнале «Химия и жизнь» [4]: «Сейчас среди профессионалов нет и тени сомнения в справедливости СТО — она является базой ядерной физики, квантовой электродинамики, космологии и других областей». И там же дальше: «Быстрому признанию СТО способствовало стремительное развитие ядерной физики с ее арсеналом ускорителей заряженных частиц: их работа невозможна без учета СТО, которая лежит в основе расчетов этих машин так же буднично, как теория сопротивления материалов в инженерном деле. Иначе обстояло дело с мнением широкой публики, знакомой со СТО по газетным сообщениям или в лучшем случае по популярным изложениям». Здесь Александров просто не осознаёт, насколько он преувеличивает роль ортодоксальной СТО в указанных областях знаний, а также в деле создания атомной бомбы. А его замечание, что «в СССР марксистская философия объявила СТО идеалистическим извращением», говорит лишь о том низком уровне понимания теории, на котором велись дискуссии между физиками и философами в указанные времена. А поскольку всякие серьёзные дискуссии по данной теории уже давно прекращены, так как объявлены ещё АН СССР «наивными попытками пересмотра СТО» и «среди профессионалов нет и тени сомнения в справедливости СТО», то положение с её ортодоксальной трактовкой так и не было исправлено, что и является причиной её вполне естественного невосприятия «широкой публикой». Заканчивает статью [4] Александров словами: «С точки зрения физиковпрофессионалов, осуществленный эксперимент бесполезен, потому что его результат предопределен. Однако прямая демонстрация постоянства скорости света имеет большую дидактическую ценность, ограничивая почву для дальнейших спекуляций о недоказанности основ теории относительности…. Мы не ставили целью уточнить скорость света. Речь шла о восполнении исторической недоработки в экспериментальном обосновании истоков СТО и о том, чтобы облегчить восприятие этой теории. Можно сказать, что поставлен современный демонстрационный опыт для хорошего преподавания физики». Осуществленный эксперимент для науки действительно бесполезен. Но его ценность уже в том, что он наглядно продемонстрировал всему научному миру, что ортодоксальную трактовку СТО не понимают не только студенты и школьники, но даже физики академики. И с этим уже давно пора что-то делать. Пора, наконец, исправить трактовку теории [7]. Ссылки: 1. Е.Б. Александров. Ещё раз о постоянстве скорости света."Наука и жизнь" №8, 2011 г. 2. Е. Б. Александров, П.А. Александров, В. С. Запасский, В. Н. Корчуганов, А.И. Стирин. Измерение скорости света, испущенного ультрарелятивистским источником. Письма в ЖЭТФ, том 94, вып. 5, с. 374-376 (10 сентября 2011 г.) 3. Е.Б.Александров, П.А.Александров, В.С.Запасский, В.Н.Корчуганов, А.И.Стирин. Эксперименты по прямой демонстрации независимости скорости света от скорости движения источника. «Успехи физических наук». № 12, 2012. 4. Александров Е.Б. Теория относительности: прямой эксперимент с кривым пучком. «Химия и жизнь». №3, 2012. 5. Принцип постоянства скорости света и его роль в СТО. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10466.html 6. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир, 1977. 7. Подлинный смысл специальной теории относительности. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/13193.html 7
