Экспериментальная проверка второго постулата специальной теории относительности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологический Институт Карнеги

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ВТОРОГО ПОСТУЛАТА СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Г. Фокс

Показано, что теорема затухания в теории дисперсии, для которой задан элементарный источник, приводит к тому, что падающая волна света гасится на поверхности диэлектрика. Это означает, что информация о скорости света от движущегося источника может быть утрачена, если свет прошёл через промежуточную прозрачную неподвижную среду, прежде чем его скорость была измерена. Все прошлые лабораторные измерения, выполненные с целью проверить постоянство скорости света от движущихся источников света и зеркал, а также от внеземных источников, производились уже после того, как свет прошёл через неподвижное вещество. Двойные звёзды, особенно затменные пары, окружены общей газовой оболочкой, которая может содержать вещества достаточно, чтобы погасить прямой свет от звёзд. Так что доказательство Де Ситтера о постоянстве скорости света не может быть решающим. Сделан вывод о том, что не может существовать какого-либо убедительного экспериментального доказательства второго постулата специальной теории относительности.

За эти годы было произведено множество экспериментов с источниками света, которые находились в движении относительно измеряющего оборудования. Результаты этих экспериментов, конечно, подтверждали второй постулат специальной теории относительности. Цель данной статьи - показать, что в силу теоремы затухания из теории дисперсии света, эта частная разновидность прямой экспериментальной проверки специальной теории относительности имеет сомнительное значение.

В некоторых дискуссиях по электронной теории дисперсии света было отмечено, что уменьшение скорости распространения света в материальной среде до значения c/n, где c - скорость света в вакууме, а n - коэффициент преломления, является результатом интерференции между падающим лучом света и рассеянным лучом. Рассеянный луч создаётся, разумеется, электронами, приведёнными в колебание падающим лучом света. Это объяснение уменьшения скорости следует интерпретировать с осторожностью. Например, отсутствует постепенное ослабление интенсивности падающего луча света, поскольку его энергия передана рассеянному лучу, что должно привести к некоторому изменению вдоль пути луча света, которое не имеет места. Фактически, изгибание траектории и пошаговое изменение скорости преломляемого луча на поверхности среды говорит о том, что полный переход от падающего к рассеянному свету имеет место на поверхности.

То что дело обстоит именно так, можно увидеть из следующего простого аргумента. По Томсону, если поперечный срез с рассеивающими свет электронами имеет толщину у, а число рассеивающих электронов в единице объёма - n, то можно грубо оценить расстояние l, на котором падающий луч света затухает. Нужно принять во внимание тот факт, что рассеивающие свет электроны колеблются в определённых фазах по отношению друг к другу. Многие колеблются в фазе и, следовательно, излучают в фазе и поглощают энергию от падающего луча света тем быстрее, чем больше множитель, равный квадрату числа колеблющихся в фазе. Он может быть огрублённо принят равным квадрату числа электронов на длине л/2р (л - длина волны) и составляет примерно 105 для плотных материалов. Таким образом, мы получаем ll/(105nу). Для у6·10-25 см2 и n1023 см3, мы получим l10-4 см. Это действительно тонкий поверхностный слой.

Фактически подобное заключение строго доказано в теории дисперсии. Это достигнуто теоремой, которая в терминологии Борна и Вольфа M. Born and E. Wolf, Principles of Optics (Pergamon Press, New York, 1959), p. 70. звучит как "так называемая теорема затухания Эвалда (Ewald) и Оусина (Oseen), показывающая, как внешнее электромагнитное возмущение, движущееся со скоростью света в вакууме, полностью нейтрализуется и заменяется в веществе вторичным возмущением, движущимся с соответственно меньшей скоростью". Далее те же авторы утверждают См ссылку 2, c. 100.: "тем не менее, будет показано, что поле диполя... может быть выражено как сумма двух членов, один из которых подчиняется волновому уравнению в вакууме и в точности нейтрализует падающую волну, в то время как другой удовлетворяет волновому уравнению для распространения со скоростью c/n. Падающая волна может поэтому рассматриваться как погашенная в любой точке в пределах среды посредством интерференции с полем диполя и замещённая другой волной, имеющей другую скорость ... распространения". Розенфельд вкладывает следующий смысл в эти слова L. Rosenfeld, Theory of Electrons (Interscience Publishers, Inc., New York, 1959), p. 107.: "Выражение... для теоремы затухания показывает, что именно вклад диполей на границе среды гасит падающую волну в любой точке внутри среды".

Очевидно, что переход от падающего к рассеянному свету имеет место в пограничном слое преломляющей среды. Подобные выводы применимы и к отражённому свету.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Вывод, следующий из теоремы затухания, состоит в том, что любые эксперименты по измерению влияния движения источника на скорость испускаемого им света должны избегать влияния прямого света источника, погашенного промежуточной неподвижной средой. В противном случае информация о возможном отличии скорости прямого светового луча от обычной её величины может быть утрачена. Измеряемая скорость света могла бы в этом случае характеризовать проходимый светом материал, а не источник. затухание дисперсия свет луч

Анализ отчётов всех экспериментов, которые были проведены с движущимися источниками света и зеркалами, показывает, что прямой [исходный] свет от движущегося источника или зеркала был фактически так или иначе погашен прежде, чем была измерена его скорость См. ссылку 1, pp. 5-8.. Иногда он проходил через окно или линзу, а иногда он просто шёл через атмосферу. В воздухе на уровне моря переход от падающего к рассеянному свету происходит на пути порядка 1 мм. Таким образом, замысел всех этих экспериментов, возможно, был расстроен.

ВНЕЗЕМНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

По подобной же причине могут быть неадекватными все измерения, выполненные с внеземными источниками света, включая самые последние. Все эти наблюдения были проведены в нижних слоях атмосферы, и таким образом падающий свет был погашен воздухом намного раньше, чем он достиг измерительного оборудования.

Несколько лучше, но не достаточно, ситуация с аргументом, касающимся двойных звёзд, впервые выдвинутым Де Ситтером. W. DeSitter, Physik. Z. 14, 429 (1913); 14, 1267 (1913). Вкратце этот аргумент состоит в том, что, если бы скорость света, испускаемого членом двойной системы, складывалась со скоростью звезды, то существовали бы некоторые эффекты, которые не наблюдались. В предельных случаях - высокой орбитальной скорости звезды и большого расстояния - свет, испускаемый в момент, когда звезда приближалась, мог достигнуть Земли раньше, чем свет, испущенный в более раннее время, когда звезда удалялась от Земли, и тогда звезда могла наблюдаться в двух (или более) различных частях её орбиты одновременно.

В последние годы, согласно Струве, были накоплены свидетельства, доказывающие, что близкие тесные двойные системы обычно окружены газообразной оболочкой О. Struve, Stellar Evolution (Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1950), p. 231.. Вероятно, она всегда присутствует в системах с близко расположенными компонентами. Можно отметить, что именно тесные двойные звёзды имеют высокие орбитальные скорости, и таким образом необычные эффекты, описанные Де Ситтером, должны были бы для них наблюдаться с наибольшей лёгкостью, если б скорость их света не была постоянна. Оболочки двойных обычно непостоянны и рассеиваются в пространстве. Информация об их плотности и протяжённости скудна, но некоторые признаки показывают, что они могут быть достаточны для протекания в них процесса затухания.

Достаточно большая оболочка не принимала бы участия в движении компонентов двойной при их сближении и удалении от Земли, по крайней мере, её внешние части. Таким образом, скорость света, покидающего систему, не могла бы характеризовать таковую у звёздных компонентов.

Этот вывод по общему признанию гипотетичен. Аргумент Де Ситтера всё ещё может иметь силу. Однако можно и напротив сказать, что существует достаточно сомнений относительно того, можно ли в дальнейшем считать этот аргумент решающим.

Следует упомянуть логическое затруднение, которое может возникнуть в связи с выводами этого и предшествующего раздела. Предположим в качестве аргумента, что скорость света, измеренного наблюдателем, относительно которого движется источник, отличается от обычной её величины. В таком случае уже нельзя доказать теорему затухания обычным строгим способом, поскольку нет какой-либо теории, из которой её можно вывести. Так что, казалось бы, нельзя сделать вышеприведённых выводов о неуместности прошлых экспериментов. Однако, если аргумент из раздела II, основанный на рассеянии Томсона, имеет силу, то логическое затруднение исчезает. С этой точки зрения затухание имеет место вследствие передачи энергии от падающего к рассеянному излучению. И оно также могло бы возникать, если бы скорость падающего света отличалась от обычной величины.

ДВИЖУЩИЕСЯ ИСТОЧНИКИ г-ИЗЛУЧЕНИЯ

Теорема затухания, конечно, не относится к электромагнитному излучению настолько высокий частоты, что электроны в атомах уже не успевают следовать за ним. Поэтому возникло желание разыскать сведения об измерении скорости гамма-лучей от движущегося источника. Единственное такое измерение, которое привлекло моё внимание, - это измерение Льюкея и Уэйла, выполненное с другой целью D. Luckey and J. W. Weil, Phys. Rev. 85. 1060 (1952).. В этом эксперименте электроны с энергией 310 Мэв направлялись на тонкую мишень, и регистрировались гамма-лучи в 170 Мэв, соответствующие электронам энергия которых снизилась до 140 Мэв. Эта установка делает возможным измерение скорости гамма-лучей. Результат был 2,97·1010 см/с±1%.

На первый взгляд этот эксперимент кажется решающим. Электроны, которые испускали тормозное излучение, конечно же, имели скорость, сравнимую с c.

Однако, ситуация не вполне ясна. Это лишь вероятно, но не вполне определено, что скорость источника этих г-лучей была скоростью электронов. Этот вывод может, в конечном счёте, опираться на правомерность специальной теории относительности, но тогда это было бы цикличное доказательство. Могут быть предложены следующие встречные аргументы: за скорость источника должна быть взята скорость центра масс излучающей системы электрон-ядро, если, например, свободные электроны не могут излучать; высокая энергия гамма-лучей и, следовательно, большая потеря энергии электронами в этом эксперименте берут начало в сильно связанной системе электрон-ядро.

В этих измерениях материал мишени не был описан явно, но, очевидно, это был никель. Центр масс ядра никеля и электрона в 310 Мэв имеет скорость, выражаемую как доля c, которая оказывается меньше доли ошибки в эксперименте. Таким образом, если скорость центра масс окажется соответствующей, то этот эксперимент не будет решающим.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на все эксперименты и аргументы, которые были сделаны для случая источников электромагнитного излучения, движущихся относительно наблюдателя, с экспериментальной точки зрения нельзя сделать какого-либо окончательного вывода относительно второго постулата специальной теории относительности. Материал, рассматриваемый в прошлом как его подтверждение, как было показано, является, возможно, неадекватным либо неокончательным.

Эта ситуация, в которой мы оказались спустя полстолетия после создания специальной теории относительности, совершенно неожиданна. Решающие эксперименты, в принципе, возможны. Не сложно придумать измерения скорости света, которые могут быть выполнены в вакууме таким способом, чтобы избежать столкновения с явлением затухания. Также не трудно представить себе эксперименты с гамма-лучами, которые могут устранить влияние среды. Эксперимент с тормозным излучением, описанный ранее, если произвести его в неком сочетании с более высокоэнергичными электронами, с материалом мишени, имеющим более низкий атомный номер z, и более низкой энергией гамма-лучей может дать решающий результат. Измерения времени полёта г-лучей от распадающихся р0 мезонов или возможно квантов аннигиляционного излучения от быстрых позитронов могли бы также решить проблему. Но следовало бы соблюдать осторожность в интерпретации таких экспериментов, дабы избежать циклического обоснования, так как специальная теория относительности тесно связана с нашими представлениями о физике высоких энергий.

Небольшой пробел в экспериментальных основах специальной теории относительности, на который было указано выше, представляет теперь заметно меньший интерес, чем тот, что имелся бы несколько десятилетий назад. В то время активно обсуждалось серьёзное предложение, противостоящее теории Эйнштейна, - эмиссионная теория электромагнетизма Ритца, который предполагал, что скорость излучения складывалась со скоростью источника. Ныне шанс того, что решающий эксперимент даст ожидаемый результат, стал настолько велик, что эксперимент может казаться едва ли стоящим проведения. Другие достаточно прямые экспериментальные свидетельства типа результатов эксперимента Физо, доплеровского смещения второго порядка, и измерения растяжения времени полностью подтверждают специальную теорию относительности. Гораздо более важно, что общий принцип инвариантности Лоренца давно уже настолько доказал свою ценность в физике, что почти невероятно, чтобы какой-либо будущий эксперимент предложенного выше вида, мог привести к какому-либо неожиданному выводу.

Несмотря на это, если взвесить все возражения против подобного эксперимента, дающего нечто новое против огромной роли проверяемой точки зрения, то можно придти к выводу, что эксперимент должен быть поставлен.

Размещено на Allbest.ru