Переход:.....Назад ....Содержание.....Вперед

Эксперимент Альвагера, Фарлея, Кйеллмана и Уоллина [40] на Женевском протонном синхротроне

В эксперименте [[40]. Test of the second postulate of special relativity in the GeV region / Alvager T., Farley F., Kjellman J., Wallin J. // Physical Letters. - 1964. - v. 12. –No. 3. - p. 260 -262.], который был осуществлен на Женевском протонном синхротроне, измерялась скорость гамма-квантов, рождавшихся при распадах нейтральных пи-мезонов. Генерация нейтральных пи-мезонов производилась бомбардировкой неподвижной бериллиевой мишени протонами, имевшими после ускорения импульс, равный 19,2 ГэВ/c_o. В эксперименте использовались гамма-кванты, летящие под углом около 6° к направление полета протонов. На пути гамма-квантов, вылетавших из бериллиевой мишени, устанавливались два отклоняющих магнита вблизи бериллиевой мишени и один отклоняющий магнит на расстоянии около 50 м от бериллиевой мишени. Эти магниты предназначались для отклонения заряженных частиц, рождавшихся при бомбардировке протонами мишени, с траектории полета гамма-квантов. Перед третьим отклоняющим магнитом на траектории гамма-квантов располагался свинцовый коллиматор диаметром 5 мм. После третьего отклоняющего магнита гамма-кванты проходили сквозь окно в бетонной стене, которая имела толщину порядка 6 м, и попадали в детектор гамма-квантов, в состав которого входили установленные друг за другом:
            - большой сцинтилляционный детектор;
            - пластина свинца толщиной 4 мм;
            - малый сцинтилляционный детектор;
            - черенковский детектор.

Измерение скорости гамма-квантов в эксперименте [40] осуществлялось времяпролетным методом при помощи одного детектора гамма-квантов. Только один детектор гамма-квантов использовался в эксперименте [40] для того, чтобы устранить возможные возражения о том, что попадающие во второй детектор гамма-кванты являются гамма-квантами, переизлученными веществом первого детектора (покоящимся относительно второго детектора), а не гамма-квантами, излученными движущимся с большой скоростью источником.

Чтобы обеспечить измерение скорости гамма-квантов время-пролетным методом при помощи лишь одного детектора гамма-квантов, в эксперименте [40] использовался эффект группирования ускоряемых в протонном синхротроне протонов в компактные сгустки. Эти сгустки протонов бомбардировали бериллиевую мишень с периодом 105 наносекунд, причем время бомбардировки мишени одним сгустком протонов составляло несколько наносекунд. Для сохранения сгустковой структуры ускоряемого пучка протонов на время порядка 100 миллисекунд (в каждом цикле ускорения), в течение которого сгустки неоднократно бомбардировали мишень, частота ускоряющего электромагнитного поля ускорителя поддерживалась постоянной и равной 9,53220± 0,00005 МГц.

Dt = (t_M + t_delay) - (t_M + s/c_u) = t_delay - s/c_u , (4.9)

где t_M - момент рождения гамма-кванта в мишени при бомбардировке мишени протонами;  t_delay -промежуток времени между моментом рождения гамма-кванта в мишени и моментом подачи стопового импульса на время-амплитудный преобразователь (время задержки);  s - расстояние от бериллиевой мишени до детектора;  c_u - искомая скорость гамма-квантов, испускаемых движущимся источником.  

При этом в эксперименте [40] сначала измерялась величина Dt₁, соответствующая расстоянию s_A от мишени до детектора гамма-квантов, установленного в положение А   

Dt₁ = t_delay- s_A/c_u , (4.10)

а затем расстояние от мишени до детектора плавно увеличивалось до такого значения s_B, при котором промежуток времени 

Dt₂ = t_delay + T - s_B/c_u . (4.11)

был бы равен промежутку времени Dt₁ с погрешностью d t 

t_delay - s_A/c_u= t_delay + T - s_B/c_u + dt , (4.12)

где T = 1/f - период облучения бериллиевой мишени протонными сгустками. 

               Из выражения (4.12) можно получить формулу для вычисления значения скорости света от движущегося источника 

c_u= (s_B - s_A)/(d t + T) = D s/(d t +1/f), (4.13)

где D s - расстояние между двумя фиксированными положениями детектора (в точках А и В). 

В эксперименте [40] при Ds =31,45 м, d t = 0, а также f = 9,53220± 0,00005 МГц было получено 

c_u= (2,9977 ±0,0004)·10⁸м/с. (4.14)

Для контроля полученного результата детектор из положения А удалялся на расстояние 4,5 м в сторону от мишени. При этом измерялась величина  

Dt₃ = t_delay - (s_A + 4,5 м )/c_u . (4.15)

Из положения В детектор на 4,5 м приближался к мишени. При этом измерялась величина 

Dt₄ = t_delay + T - (s_B - 4,5 м )/c_u . (4.16)

Для величин  

Dt₁ - Dt₃ = 4,5 м/c_u,       Dt₄ - Dt₂ = 4,5 м/c_u, 

в эксперименте [40] было получено значение 15 ·10^-9 секунд, согласующееся со значением скорости света от движущегося источника (4.14). На этом основании авторы эксперимента [40] сделали вывод, что если скорость света от движущегося источника и зависит от скорости источника по формуле (4.2), то из эксперимента [40] следует, что k = (-3 ± 13)·10^-5. А это фактически означает, что эксперимент [40] противоречит существованию в природе зависимости c_u = c_o(1 + u²/c_o²)^1/2. Ведь источник гамма-квантов в эксперименте [40] по мнению его авторов двигался со скоростью 0,99975·c_o и по формуле (4.4), вытекающей из зависимости c_u = c_o(1 + u²/c_o²)^1/2, следовало ожидать, что k = 0,5. Предвидя возможные возражения против доказательной силы своего эксперимента, авторы [40] проанализировали (с использованием теории поглощения Фокса [ [34]. Fox J. Experimental evidence for the second postulate of special relativity // American Journal of Physics.-1962. v. 30. - p. 297 - 300; Evidence against emission theories // American Journal of Physics. - 1965. - v. 33. - p. 1 – 17; Constancy of the velocity of light // Journal of Optical Society of America. – 1967. - v. 57. - p. 967 - 968.]) и отвергли заметное влияние на полученные ими результаты эффекта переизлучения гамма-квантов покоящимся относительно детектора веществом, сквозь которое гамма-кванты проходят в эксперименте [40] от момента своего рождения в мишени до попадания в детектор (бериллиевая мишень, окно вакуумной камеры ускорителя, слой воздуха толщиной около 60 м).  

Во-первых, в статье [40] нет абсолютно никаких доказательств того, что гамма-кванты, скорость которых измерялась, были испущены именно движущимися с огромной скоростью нейтральными пи-мезонами. В тексте статьи авторы даже мысли не допускают, что гамма-кванты, скорость которых измеряется, могут быть испущены а каком-нибудь другом процессе, происходящем при бомбардировке бериллиевой мишени протонами. Они безапелляционно заявляют, что попадающие в детектор гамма-кванты испущены именно движущимися со скоростью 0,99975·c_o нейтральными пи-мезонами. Читателям же остается лишь верить на слово авторам (доказательств-то ведь в статье нет никаких). 

Между тем известно, что при бомбардировке мишени протонами могут происходить (наряду с распадами нейтральных пи-мезонов на два гамма-кванта) и другие процессы, сопровождающиеся излучением из мишени гамма-квантов высоких энергий. К таким процессам можно, например, отнести:  

а) реакции, называемые радиационным захватом протона, при которых ядро атома мишени захватывает протон, в результате чего образуется составное ядро в возбужденном состоянии, которое переходит в нормальное состояние путем испускания гамма-кванта [ [41]. Колпаков П. Е. Основы ядерной физики. - М.: Просвещение, 1968. – с. 284. ]; 

p ^- +  p ®  n  +  g ; (4.17)

в) реакция [[43]. Вальтер А. К., Залюбовский И. И. Ядерная физика. - Харьков, Выща школа, 1974. - с. 285.]  

p ⁺   +  n ®  p  +  g ; (4.18)

г) реакция [[44]. Лебедев А. И. Пи-мезоны // Физика микромира. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. Д. В. Ширков. - М.: Советская энциклопедия, 1980. - с. 308.]  

p^± ® m^± + n_m ( анти n_m) + g ; (4.19)

д) тормозное излучение заряженных частиц, рождающихся при бомбардировке мишени протонами. Спектр образующихся при этом гамма-квантов - сплошной, с максимальной энергией, равной кинетической энергии тормозящихся частиц (см. стр. 405 - 406 в [[42]. Мухин К. Н. Введение в ядерную физику. - М.: Госатомиздат. 1963. - с. 503]) . 

Поэтому те гамма-кванты, скорость которых измерялась в эксперименте [ [40]. Test of the second postulate of special relativity in the GeV region / Alvager T., Farley F., Kjellman J., Wallin J. // Physical Letters. - 1964. - v. 12. –No. 3. - p. 260 -262.], могли испускаться совсем не движущимися с огромными скоростями нейтральными пи-мезонами, а источниками, покоящимися относительно детектора гамма-квантов.  

В самом деле, при диаметре мишени 1 мм и при диаметре коллиматора 5 мм, расположенного на расстоянии порядка 50 м от мишени, угол, под которым гамма-лучи падают на внутреннюю поверхность трубы коллиматора, будет составлять порядка 10^-4  радиан. А это означает, что расстояние между проекциями ядер атомов кристаллической решетки свинца на плоскость, перпендикулярную направлению полета гамма-квантов, будет в 10^-4  раз меньшим фактического расстояния между ядрами атомов в кристаллической решетке свинца вдоль внутренней поверхности трубы коллиматора (это обусловлено тем, что при малых углах a скольжения луча кристаллическая решетка с периодом d действует как решетка с периодом d sin a [[45]. Шпольский Э. В. Атомная физика, т. 1. - М.: Физматгиз, 196З. - с. 136]). Тогда при среднем расстоянии между ядрами атомов в кристаллической решетке свинца, равном 5Ч10^-10 м (см. стр. 457 в [45]), расстояние между проекциями центров ядер атомов на перпендикулярную к направлению полета гамма-квантов плоскость будет порядка 10^-14 м, в то время как диаметр ядра атома свинца тоже имеет порядок 10^-14 м [[46]. Баретт Р., Джексон Д. Размеры и структура ядер / Пер. С англ. - Киев: Наукова думка, 1981. - с. 46]. Это означает, что все попадающие на внутреннюю стенку трубы свинцового коллиматора гамма-кванты будут отражаться от нее как от сплошной стенки из ядерного вещества. 

Поэтому если даже в эксперименте [[40]. Test of the second postulate of special relativity in the GeV region / Alvager T., Farley F., Kjellman J., Wallin J. // Physical Letters. - 1964. - v. 12. –No. 3. - p. 260 -262] гамма-кванты испускались движущимися со скоростью 0,99975· c_o нейтральными пи-мезонами, отразившись от внутренней стенки трубы свинцового коллиматора, они приобретали скорость c_o. 

Если же гамма-кванты после коллиматора движутся со скоростью c_o, то вместо выражения (4.9) будет справедлива формула

В-третьих, некоторые из физиков (например, Кантор [ [47]. Kantor W. Speed of gamma rays emitted by high speed particles // Spectroscopy Letters. - 1971. - v. 4. – p. 245 - 253.]) подвергают сомнению справедливость утверждения о том, что гамма-кванты не переизлучаются ядрами атомов вещества, располагающегося на пути гамма-квантов (бериллиевая мишень, окно вакуумной камеры ускорителя, слой воздуха толщиной около 60 м). Кантор [47] считает, что это утверждение не имеет экспериментального обоснования для гамма-лучей, а является экстраполяцией на область гамма-лучей теоретических положений Фокса [ [34]. Fox J. Experimental evidence for the second postulate of special relativity // American Journal of Physics.-1962. v. 30. - p. 297 - 300; Evidence against emission theories // American Journal of Physics. - 1965. - v. 33. - p. 1 – 17; Constancy of the velocity of light // Journal of Optical Society of America. – 1967. - v. 57. - p. 967 - 968.], справедливых (как считает Кантор) только для видимого света. Но даже и для видимого света трудно найти экспериментальное подтверждение того, что кванты электромагнитных колебаний, слабо поглощаемые атомами и молекулами воздуха, не переизлучаются этими атомами и молекулами. 

Итак, вследствие; указанных причин эксперимент [[40]. Test of the second postulate of special relativity in the GeV region / Alvager T., Farley F., Kjellman J., Wallin J. // Physical Letters. - 1964. - v. 12. –No. 3. - p. 260 -262] не может рассматриваться как надежное доказательство отсутствия зависимости вида c_u = c_o (1 + u²/c_o²)^1/2 в реальной действительности. 

Следовательно, ни один из проведенных ранее экспериментов по проверке справедливости второго постулата Эйнштейна не опровергает существования в природе квадратичной зависимости физической скорости света в вакууме от скорости источника вида c_u = c_o (1 + u²/c_o²)^1/2. Они надежно доказывают лишь отсутствие в природе зависимости вида c_u = c_o + u·cosa. Это означает, что необходимо найти и провести такой эксперимент, который смог бы надежно подтвердить или опровергнуть существование в природе зависимости вида c_u = c_o (1 + u²/c_o²)^1/2. А до проведения такого эксперимента зависимостьc_u = c_o (1 + u²/c_o²)^1/2 необходимо рассматривать как гипотезу, не противоречащую ни принципу полного равноправия инерциальных систем отсчета, ни результатам экспериментов по лабораторной проверке справедливости второго постулата Эйнштейна, ни астрономическим наблюдениям за двойными звездами с почти круговой орбитой, проанализированным Де-Ситтером (см. раздел 3). Рассмотрим поэтому, к каким эффектам приведет зависимость c_u = c_o (1 + u²/c_o²)^1/2   в том случае, когда двойные звезды движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам с большим эксцентриситетом.  

Переход:.....Назад .....Содержание.....Вперед