Свидетельства против эмиссионных теорий

Однако следует помнить, что в этой теории имелось бесконечное число неопределённых констант - коэффициентов при ускорении и при всех высших степенях скорости в формуле для силы. Они не играли никакой роли в обычных явлениях электромагнетизма. С таким обилием неопределённых констант возможно множество теоретических вариантов. Вполне вероятно, что их можно выбрать таким способом, который приведёт к выражению, дающему кажущееся изменение массы со скоростью, согласующееся с экспериментом. Отчасти произвольность в выборе констант можно исключить, поскольку, по крайней мере, некоторые из них должны также объяснять и другие явления, такие как импульс излучения и гравитационную силу. Естественно, кому-то может показаться, что теория с большим количеством эмпирических констант гораздо менее приемлема, чем теория с меньшим их числом, как в специальной теории относительности. Это ощущение смягчится, если они окажутся простыми рациональными числами, как это имело место в теории Ритца при расчёте смещения перигелия Меркурия. К тому же следует помнить, что при построении лоренцева инварианта в теории ядра и элементарных частиц мы всё ещё имеем на руках большое число эмпирических массовых отношений, времён жизни и констант взаимодействия. Мы бы не возражали взять взамен некоторых из них эмпирические константы из построенной иным способом теории электромагнетизма, если только это не будет противоречить законам природы.

Мы приходим к выводу, что наблюдаемое изменение массы элементарных заряженных частиц не даёт свидетельства против теории Ритца.

11. E =mc2

Это отношение обычно считают наиболее важным следствием специальной теории относительности. Оно получает экспериментальное подтверждение в виде увеличения массы заряженных частиц, ускоренных электромагнитными полями и, особенно, в балансе энергий ядерных реакций. Первый случай только что обсуждался.

Во втором случае, когда привлекается излучение или поглощение гамма-излучения, мы имеем принцип инерции лучистой энергии. Он был выведен в разделе 7 на том основании, что его можно включить в теорию Ритца. Это утверждение не свободно от возражений ввиду чересчур широкой экстраполяции от оптических к ядерным энергиям.

В целом, можно сделать следующие замечания. Модель квадратичных потенциалов требует, чтобы при поглощении энергии кинетическая энергия нуклонов возрастала. Согласно точке зрения Ритца, сила воздействия внешних полей на протоны ядра, например, в масс-спектрографе, казалась бы меньше, отчего видимая масса казалась бы больше. Однако ядра состоят не только из протонов - имеются ещё и нейтроны. Теория Ритца затронула бы всю известную нам картину ядерных сил и, следовательно, ядерных энергий. Возможно, вычисление по теории Ритца вклада кулоновских сил в протон-протонное рассеяние дало бы результаты отличные от ныне принятых, и это изменило бы наши представления об удельной ядерной силе между двумя протонами.

Короче говоря, качественное объяснение эквивалентности массы и энергии существует и в теории Ритца, хотя ей не достаёт количественного объяснения. Потребовалось бы подробное исследование, которого в настоящее время нет, чтобы количественно показать, что баланс масс и энергий в ядерных реакциях даёт свидетельство против теории Ритца.

12. ПРОДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ БЫСТРЫХ МЕЗОНОВ

Продление времени жизни быстродвижущихся р и м мезонов D. H. Frisch and J. H. Smith, Am. J. Phys. 31, 342 (1963)., R. P. Durbin, H. H. Loar and W. W. Havens, Jr., Phys. Rev. 88, 179 (1952). не было измерено настолько же точно, как другие релятивистские эффекты. Однако, в эксперименте Фриша и Cмита измеренная степень растяжения времени 8,8±0,8 находилась в полном согласии со специальной теорией относительности и в противоречии с теорией Ритца, где использовались классические понятия пространства и времени.

Ситуация здесь не настолько ясная, как хотелось бы. Имеется некий порочный круг в аргументах, привлекающих эти эксперименты в качестве опровержения Ритца. Например, в эксперименте с пионами,40 необходимо сделать большую поправку, чтобы учесть те распады мюонов, которые произошли в направлении родительских пионов и тем самым дали бы нежелательные величины. Кинематика преобразований Лоренца для распада мюонов и нейтрино была, конечно, использована в вычислении этой поправки. Но с логической точки зрения, прежде чем использовать этот эксперимент в качестве опровержения теории Ритца, следует ещё показать, что он по-прежнему показывает растяжение времени, если его интерпретировать целиком на основе теории Ритца. Это не так просто, как кажется поначалу: свойства нейтрино, рассмотренные на основе эмиссионной теории должны отличаться от наших нынешних о них представлениях. К примеру, Ритц предлагал возможные качественные объяснения непрерывного спектра в-распада. В. Ритц, см. ссылку 1, с. 418. Основная идея состояла в том, что, если электрон обладает осью симметрии, то электромагнитная сила, выбившая его из ядра, должна по его теории меняться в зависимости от ориентации электрона. Иными словами, энергия электрона изменялась бы в зависимости от его поляризации. (Этот факт был недавно обнаружен.) Понятно, что при таком взгляде на вещи "нейтрино Ритца" могло бы отличаться от того, которое известно нам. Следовательно, наше истолкование экспериментов по распаду мезонов могло бы быть иным. В качестве другого примера было отмечено, что в этих экспериментах мезоны движутся через среду, атмосферу, и можно б было предложить, что увеличение продолжительности их жизни могло, так или иначе, вызываться взаимодействием со средой E. G. Cullwick, Electromagnelism and Relativity (Longmans Green and Company, New York, 1957), pp. 287-289. (Электродинамика и теория относительности)

Эти предложения граничат с чистой спекуляцией. Они способны показать, что мы должны быть осторожны при выборе свидетельств, которые привлекаем дабы решить спор между двумя столь фундаментальными теориями со столь различными концептуальными базами как у теорий Ритца и Эйнштейна. Но пока они не обоснованы количественными или, по крайней мере, сильными качественными аргументами со стороны теории Ритца, они не заслуживают серьёзного внимания перед лицом простого объяснения наблюдений, даваемого специальной теорией относительности.

В итоге мы приходим к выводу, что экспериментально выявленное растяжение времени распада быстрых мезонов - это свидетельство против эмиссионной теории.

13. КИНЕМАТИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

В современных опытах с элементарными частицами высоких энергий мы находим многочисленные данные, показывающие, что при взаимодействиях на высоких скоростях частицы подчиняются кинематике Лоренца, а не Галилея. Например, при упругом протон-протонном рассеянии с энергией 435 МэВ угол между двумя разлетающимися протонами составляет 83є, а не 90є, в случае когда их пути симметричны относительно направления падающего пучка. R. B. Sutton, T. H. Fields, J. G. Fox, J. A. Kane, W. E. Mott, and R. A. Stallwood, Phys. Rev. 97, 783 (1955). В прошлом это явление приводилось в качестве свидетельства в поддержку специальной теории относительности, которым оно, несомненно, и является. Но наша задача состоит здесь в том, чтобы проверить, является ли это также и свидетельством против эмиссионной теории.

Если задаться вопросом, какой аспект теории относительности играет основную роль в этом эффекте, то вскоре станет ясно, что это есть наиболее вероятное конечное время, необходимое для распространения поля от одной частицы к другой. Производя рассмотрение в системе отсчёта, связанной с центром масс, легко увидеть, что это запаздывание приводит к появлению силы взаимодействия между частицами, которая направлена не по линии, их соединяющей. Это приводит к тому, что лабораторный угол между разлетающимися частицами отличается от 90є - предельной величины угла рассеяния на низких скоростях. Качественно та же ситуация возникает и в эмиссионной теории - там также имеется запаздывание, хотя его величина иная. Так, мы снова получаем физический эффект, который естественным образом качественно следует из эмиссионной теории. Поэтому он может свидетельствовать против этой теории лишь в том случае, если количественный анализ, основанный на теории, будет противоречить эксперименту.

Должны существовать и другие данные в кинематике высоких энергий, доступные для обнаружения уже сегодня, или даже полученные и только ожидающие анализа, которые не затрагивают запаздывающих полей или других аспектов, одинаково присущих и специальной теории относительности и эмиссионной теории, и которые могли бы предоставить свидетельство. Данные, используемые в таком анализе, разумеется, должны затрагивать релятивистскую электродинамику настолько слабо, насколько это только возможно, а желательно вообще не затрагивать. То есть они должны быть представлены только такими величинами как углы и времена полёта.

14. ДВИЖУЩИЕСЯ ИСТОЧНИКИ

Эксперимент Лакея и Вейла уже обсуждался.11 В нём, как было замечено, возникают сомнения относительно того, что было источником гамма-лучей. Более современные эксперименты с движущимися источниками гамма-лучей уже обсуждались Филлипасом и автором, см. ссылку 12. Недавно было напечатано более подробное сообщение об одном из этих экспериментов: T. Alvдger, A. Nilsson, J. Kjellman, Arkiv Fysik 26, 209 (1964). Исходя из этого кажется, что, хотя углеродная цель была настолько тонкой, что создала бы лишь незначительное поглощение, заметное поглощение могло возникнуть в вакуумном окне. который показал, что только их эксперимент по измерению скорости гамма-лучей от распадающихся р0 мезонов был в достаточной мере свободен от проблем, возникающих за счёт поглощения, чтобы расцениваться как свидетельство против эмиссионной теории. Тот факт, что этот эксперимент страдал той высокой степенью поглощения, какая имела место, возникал, поскольку в то время совершенно не считались с тем, до какой степени гамма-лучи подвержены поглощению. Неуверенность в том, как оценить эффект для гамма-лучей, отсрочила публикацию эксперимента на многие месяцы.

Также имеются два новых эксперимента со светом, который дифрагировал, отражался или переносился движущимися объектами. В эксперименте Ротца F. B. Rotz, Phys. Letters 7, 252 (1963). исследовалась трёхщелевая дифракционная картина, создаваемая тремя движущимися щелями, где центральная щель закрывалась куском стекла. Идея состояла в том, что по эмиссионной теории свет, проходящий через закрытую стеклом щель, будет иметь скорость отличную от скорости света, идущего от открытых щелей, и что должно возникнуть смещение полос в сравнении со случаем неподвижных. Вакуум был настолько хорошим, что оптическая длина пути в вакууме составляла 1 % или даже меньше от длины поглощения. Однако никакого заметного смещения полос не наблюдалось, хотя, как утверждал автор, предсказание эмиссионной теории должно быть легко обнаружено.

Однако такой вывод отсутствует при более тщательном анализе. Возникает всё нарастающее убеждение, что правильный способ рассмотрения дифракции предоставляет главную роль свету, рассеянному краями отверстия. J. M. Stone, Radiation and Optics (McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1963), см. например, главу 6. (Излучение и Оптика, Нью-Йорк, 1963 г.). Это также было и точкой зрения Ритца. В. Ритц, см. ссылку 1, с.457. Понятно, что в этом эксперименте, по сути, вся дифракционная картина создавалась именно таким светом. Таким образом, раз все "источники", создающие дифракционную картину всегда имели одинаковую скорость, никакого сдвига полос по теории Ритца ожидать не следовало. (Точнее, по этой теории имелся бы сдвиг не более чем примерно в 10-3 полосы, соответствующий изменению длины волны на в ~10-7 [от её полной величины - С.С.], возникающему, когда набор щелей приведён в движение.)

В недавнем эксперименте Бэбкока и Бергмана G. C. Babcock, T. G. Bergman, J. Opt. Soc. Am. 54, 147 (1964). измерялось смещение полос при интерференции двух световых пучков, идущих в противоположных направлениях сквозь движущиеся стеклянные пластинки. Они помещались в вакуум при давлении 0,02 мм рт.ст. Полученный отрицательный результат противоречил обсуждаемой эмиссионной теории.

В этой работе длина поглощения л/2(n - l) составляла примерно 5,5 м. Этот вывод основан на том, что остаточный газ в барокамере был воздухом, а не чем-то иным, с большим коэффициентом преломления, например, органическими парами, выделенными насосным маслом или горящей изоляцией электродвигателя. Поскольку давление было измерено и по шкале Альфатрона, и по шкале МакЛауда, и в печати ничего не говорилось о разночтениях, кажется вероятным, что остаточный газ был именно воздухом. Есть возможность, на которую мы мимоходом обратили внимание, что даже если обе шкалы давали одно и то же давление, там могли присутствовать органические газы типа метана или этана. У первого длина поглощения составляет 2/3, а у второго 2/5 от длины поглощения для воздуха при том же давлении.

Соответствующий оптический путь составил бы 2,76 м или 1/2 длины поглощения в воздухе. Поэтому около 40 % яркости света в каждом интерферирующем луче было бы поглощено, т.е. по эмиссионной теории остаточный воздух привёл бы скорость лучей к c, в то время как 60 % яркости останется незатронутой. Таким образом, поглощение, хоть и велико, но всё же недостаточно для сокрытия всех следов изменения скорости света, если таковое существует. Если не считать некоторой неуверенности в природе остаточного газа и, следовательно, длины поглощения, этот эксперимент кажется хорошим свидетельством против эмиссионной теории.

Многое зависит, конечно, от правильности данной оценки степени поглощения. Хазелтайн W. R. Haseltine, Am. J. Phys. 32, 173 (1964)., работающий в той же лаборатории, что и Бэбкок с Бергманом, утверждал, что в твёрдых веществах и жидкостях длина поглощения для света примерно в 10 раз меньше, чем та, что даётся нашим выражением л/2(n - l). Если бы подобное отношение выполнялось и для газов при низком давлении, поглощение в этом эксперименте уничтожило бы все признаки переменности скорости света, и эксперимент привёл бы к ещё одному неправильно оцененному результату. Однако, против аргумента Хазелтайна были выдвинуты серьёзные возражения. 12

Можно возразить, что теорема поглощения обычно доказывается с помощью теории Максвелла и что в связи с этим она не может привлекаться для количественной оценки, пока отсутствует уверенность в том, что тот же результат можно получить и на базе эмиссионной теории. Во-первых, на это можно ответить тем, что когда скорости источников крайне малы в сравнении с c, как у всех макроскопических источников, следовало бы ожидать, что эмиссионная теория будет приводить к результату очень близкому к тому, что даёт теория Максвелла. Это следствие показанного Ритцем предельно близкого общего согласия между его теорией и теорией Максвелла во всех разделах электродинамики и оптики. Во-вторых, выражение, которое мы использовали для длины поглощения, - это результат весьма общих аргументов, применимых к почти любому движению волны и частоте. Наконец, мы имеем практически непосредственную экспериментальную проверку длины поглощения для рентгеновских лучей.12

Приходим к выводу, что эксперименты Филиппаса и Фокса с гамма-лучами, а также Бэбкока и Бергманом со светом предоставляют свидетельство против эмиссионной теории. Замечание, добавленное в качестве подтверждения. Совсем недавний эксперимент Альвагера, Фарлея, Кйелмана и Вэллайна5^51a T. Alvдger, F. J. M. Farley, J. Kjellman, I. Wallin, Phys. Letters 12, 260 (1964).1a с гамма-лучами энергией более 6 ГэВ, рождённых распадом быстрых р0 мезонов (имеющих скорость v) показывает, что, если скорость этих гамма-лучей равна c+kv, то k=0 с точностью в 0.0001. Это измерение, свободное от проблем поглощения, является наиболее точным подтверждением постулата Эйнштейна из имеющихся, а также против постулата эмиссионной теории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на различные недоразумения в истолковании прошлых экспериментов, мы всё ещё имеем серьёзные основания для отклонения эмиссионной теории. Постоянство скорости света, идущего сквозь подвижное стекло, и гамма-лучей от распада движущихся р0 мезонов, а также измеренное продление времени жизни р и особенно м мезонов опровергают рассмотренную здесь разновидность эмиссионной теории. В теории возникают трудности при объяснении эксперимента Физо внутренне непротиворечивым образом, но они с трудом поддаются оценке и кажутся несколько менее убедительным свидетельством против теории. Если мы чего-то не упустили, то эти эксперименты окажутся единственными крупицами экспериментальных свидетельств, которыми мы располагаем. Это весьма удивительно ввиду долгой истории и большой значимости данной проблемы. Любопытен тот исторический факт, что недавние эксперименты с движущимися источниками и даже первые данные о растяжении времени были получены лишь много лет спустя после того, как специальная теория относительности полностью вытеснила эмиссионную теорию из физики. При этом четыре из шести экспериментов основаны на использовании р или м мезонов. Можно было бы пожелать, чтобы появились более широкие экспериментальные основания для решения вопроса, настолько фундаментального практически для всей физики, как этот. Можно было бы также надеяться, что когда-нибудь мы будем иметь результаты свободные от некоторых двусмысленностей, которые всё ещё присутствуют в истолковании некоторых из этих экспериментов.

За прошедшие годы многие возражали против специальной теории относительности, считая её ошибочной. Ни одно из возражений не смогло противостоять критике. Наиболее энергичным защитником такой точки зрения в недавнем прошлом был Дингл H. Dingle, Nature 197, 1248 (1963)., веривший, что теория внутренне противоречива. Эта уверенность не разделялась большинством физиков, как показано Борном. M. Born, Nature 197, 1287 (1963). Совсем недавно Дирак P. A. М. Dirac, Sci. Am. 208, 45 (1963). утверждал, что симметрия четвёртого порядка пространственно-временных координат, которую требует специальная теория относительности, не является необходимым требованием, поскольку некоторые разделы теории упрощаются, если это требование устранить.

Существуют и многочисленные косвенные проверки специальной теории относительности. Так что в целом имеется вполне удовлетворительная основа теории. Даже при очень далёкой экстраполяции релятивистский электромагнетизм даёт превосходное согласие с экспериментом, даже в области квантовой электродинамики. Драматический успех уравнения Дирака не нуждается ни в каком анализе. Это общая разновидность свидетельств в поддержку специальной теории относительности показывает её превосходство в присущих ей возможностях и разнообразии проявлений. Это одно из оснований для широко поддерживаемой веры в то, что никакая другая теория не могла бы объяснить все эти явления. Однако, надо понимать, что все эти успехи на самом деле не являются свидетельством против теории Ритца. Для этого бы потребовалась продемонстрировать, что теория находится в противоречии с экспериментом или что она не последовательна. Именно с целью напомнить это, здесь и было исследовано взаимоотношение этой теории с экспериментом.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Данные, используемые для статистического анализа распределения щ, основываются примерно на пятистах звёздах из Пятого Каталога Двойных Звёзд J. H. Moore, F. J. Neubauer, Lick Obs. Bull. 521, 1-31 (1949). и приблизительно на трёхстах, входящих в шесть Дополнительных Каталогов Двойных Звёзд. Roger Bouigue, Ann. Obs. Toulouse 21, 31 (1952); 22, 49 (1954); 23, 45 (1955); 24, 67 (1956); 25, 69 (1957); 27, 87 (1959). Из первого источника были почерпнуты только наиболее надёжные данные первой таблицы; из второго источника использовались все новые и пересмотренные данные. Всего можно было обнаружить 436 звёзд, для которых известны величины K, P и щ. Имеется множество звёзд с нулевым эксцентриситетом, для которых параметр щ не имеет смысла.

Сперва звёзды были разделены на группы, для которых величины K/P отличаются в 10 или в (10)1/2 раз, в зависимости от числа звёзд в группе. Для каждой группы было найдено число звёзд, имеющих щ= 0-180є и щ= 180є-360є. Эти числа и их отношения показаны в Таблице I. Видно, что по мере роста K/P от низких величин, отношение поначалу равно единице, но после оно увеличивается вместе c нарастанием K/P. В группе с самым высоким K/P это отношение - девять к одному.

Затем звёзды были разделены по значению щ на 8 октантов - щ= 0-45є, ... , щ= 315-360є. Результаты показаны в Таблице II. Для звёзд с K/P < 3.16, распределение довольно близко к равномерному в пределах статистических ошибок. Для звёзд же с K/P > 3.16 это уже не так: для них наиболее густонаселенным октантом, как было замечено, оказывается первый, в полном согласии с более ранними исследованиями. Следующими наиболее густонаселёнными оказываются второй и третий, в то время как вблизи шестого имеется широкий минимум. Грубая аппроксимация этих данных по методу наименьших квадратов функцией суммы некоторой постоянной и синуса показывает, что максимум лежит возле щ= 60є-65є, а минимум около щ= 240є-245є. Хотя степень неопределённости велика.

Размещено на Allbest.ru