Решающий эксперимент для выбора между специальной теорией относительности (СТО) Эйнштейна и новой релятивистской теорией пространства-времени (НРТПВ)

Часы в простейшем случае состоят из генератора сигналов (импульсов), равноотстоящих друг от друга во времени, и счетчика этих сигналов. Если движение объектов, скорость которых требуется измерить, сравнительно медленное, проблем с измерением промежутков времени при помощи часов не возникает. Засекаешь показание часов (число, показываемое счетчиком сигналов) при нахождении объекта в пункте А. Затем засекаешь показание часов при нахождении объекта в пункте В. Из вторых показаний вычитаешь первые показания и (в самом общем случае) полученное число умножаешь на продолжительность промежутка времени между двумя соседними сигналами генератора. В том частном случае, когда продолжительность промежутка времени между двумя соседними импульсами генератора сигналов является единицей измерения времени, то операции умножения не требуется. Но если объект имеет громадную скорость, а путь, на котором требуется измерить скорость, очень мал, то измерять необходимо очень малые промежутки времени – промежутки времени, меньшие интервала времени между соседними импульсами генератора сигналов в этих часах. Для измерения столь малых промежутков времени изобретен специальный измерительный прибор, который и используется при определении времени пролета элементарной частицей известного расстояния между двумя детекторами. Детектор – это специальное устройство, предназначенное для обнаружения частицы и вырабатывающее на своем выходе сигнал при пролете сквозь него элементарной частицы.

Импульс с первого детектора подается на так называемый стартовый вход ВАП, импульс с выхода второго детектора подается на так называемый стоповый вход ВАП. Импульс, пришедший на стартовый вход ВАП, замыкает цепь заряда конденсатор, а импульс, пришедший на стоповый вход ВАП замыкает цепь очень быстрого (почти мгновенного) разряда этого конденсатора. В результате на конденсаторе (выходе ВАП) образуется электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна промежутку времени между стартовым и стоповым импульсами. Чем больше продолжительность промежутка времени между стартовым и стоповым импульсом, тем до большего напряжения успевает зарядиться конденсатор, и, тем самым, тем большей оказывается амплитуда импульса на выходе ВАП. При измерении таким способом очень малых промежутков времени необходимо еще учесть неодинаковое время распространения стартового и стопового сигналов от детекторов до входов ВАП (обозначим разность между временем распространения стартового сигнала и стопового сигнала греческой буквой d). Далее, с выхода ВАП импульс с амплитудой, величина которой пропорциональна времени пролета элементарной частицей расстояния от одного детектора до другого, подается на вход МАА.

Этот МАА состоит обычно из очень большого количества (несколько сотен) каналов. Каждый канал состоит из двух пороговых устройств (нижнего и верхнего), входы которых соединены вместе и являются входом канала, инвертора, устройства совпадения (логической схемы И) и счетчика импульсов. Входы всех каналов соединены вместе и являются входом МАА. В каждом канале пороговое напряжение верхнего порогового устройства больше порогового напряжения нижнего порогового устройства на одну и ту же величину, равную, например, а, а нижнее пороговое напряжение каждого следующего канала равно верхнему пороговому напряжению предыдущего канала. Каждое пороговое устройство вырабатывает на своем выходе стандартный электрический импульс только в том случае, если амплитуда входного сигнала превышает величину порогового напряжения этого устройства. В каждом канале выход каждого порогового устройства подсоединяются к одному из двух входов устройства совпадения, причем выход верхнего порогового устройства подсоединяется к входу устройства совпадения через инвертор, а выход устройства совпадения подсоединяется к входу счетчика. Благодаря такому построению подаваемый на вход МАА импульс (амплитуда которого пропорциональна времени пролета частицей между двумя детекторами) попадает на вход счетчика только того канала, нижнее пороговое напряжение которого меньше амплитуды импульса, а верхнее пороговое напряжение больше амплитуды импульса. При поступлении с выхода устройства совпадения на вход счетчика каждого очередного импульса показания этого счетчика увеличиваются на единицу. Номер канала, в который попадет импульс, порожденный пролетом каждой частицы сквозь два детектора, определяется формулой m = {А/а} + 1, где m – номер канала, {N} – целая часть числа N, А – амплитуда импульса, а – разность между пороговыми напряжениями верхнего и нижнего пороговых устройств.

Чтобы при помощи такого измерительного прибора измерить время пролета любой частицей расстояния между детекторами, этот измерительный прибор следует прокалибровать, то есть, определить, какому промежутку времени t соответствует величина а, т.е. какова временная “цена” одного канала МАА. Если мы будем знать величину t , мы сможем определить с максимальной погрешностью, равной 0,5t , время пролета расстояния между детекторами той частицей, импульс от которой попал в канал с номером m, пользуясь формулой T = [m – 0,5]t , где Т – время пролета, m – номер канала, t - временная цена одного канала. Тогда скорость частицы можно будет определить по формуле u = B/T, где u – скорость частицы, B – расстояние между детекторами, Т – время пролета частицей расстояния между двумя детекторами.

Авторы этого эксперимента провели измерения при двух измерительных базах и в электрическую схему между первым детектором и стартовым входом ВАП они установили устройство задержки, которое задерживало стартовые импульсы на известное время задержки t_з, равное 10 наносекундам (одна наносекунда равна одной миллиардной части секунды). Для схемы этого эксперимента справедливы формулы

B₁/V – d = n₁ t + t_з, (1)

B₂ /V - d = n₂ t + t_з, (2)

где В₁, В₂ – измерительные базы (расстояния между детекторами), V - скорость той или иной частицы, d - неизвестная разница между временем прохождения сигнала по цепи “первый детектор – ВАП” и временем прохождения сигнала по цепи “второй детектор – ВАП”, n₁ = (m₁ – 0,5), n₂ = (m₂ – 0,5), m₁ , m₂ - номера каналов, в счетчики которых попадают частицы, при первой и второй измерительных базах соответственно, t_з – время задержки стартового импульса, t - цена одного канала МАА.

Чтобы не измерять разность d между временем распространения стартового сигнала и стопового сигнала от детекторов до входов ВАП и не измерять время задержки t_з стартового сигнала в устройстве задержки, но сделать так, чтобы величины d и t_з не влияли на результат расчета скоростей частиц, авторы этого эксперимента вычли из уравнения (2) уравнение (1) и разрешили получившееся выражение относительно скорости, придя к формуле

V = (B₂ – B₁) / [(n₂ – n₁) t ] . (3)

Чтобы определить временную цену t одного канала анализатора, авторы эксперимента [1], [2] предположили, что электроны высокой энергии в соответствии со специальной теорией относительности (СТО) движутся со скоростью, примерно равной скорости света в вакууме. В формулу (3) вместо V они поставили C_o и получили следующую формулу для вычисления цены канала МАА

t = (B₂ – B₁) / (n_2e – n_1e) C_o. (4)

По формуле (4) авторы получили t  = 13 пс.

Используя это значение цены канала, авторы получили значение отношения скорости пи-мезонов к скорости света в вакууме b_p = u /C_o = 0,9390 ± 0,0005,

Но методика проведения этого эксперимента позволяет осуществить калибровку аппаратуры, не вводя каких-либо предположений о скорости движения самых быстрых частиц. Действительно, уравнения (1) – (2) – это система двух уравнений с тремя неизвестными величинами V, d и t . Чтобы иметь возможность определить все эти три величины, необходимо к системе уравнений (1) –(2) добавить третье уравнение

B₂ /V - d = n₃ t + t_з2, (5)

в котором t_з2 > t_з .

t = (t_з2 – t_з) / (n₂ – n₃), (6)

V = [(B₂ – B₁) (n₂ – n₃)] / [(n₂ – n₁) [(t_з2 – t_з)] (7)

Таким образом, чтобы провести эксперимент, который помог бы сделать выбор между СТО и НРТПВ, необходимо повторить эксперимент [1], [2], измеряя распределения частиц по времени пролета при двух значениях измерительной базы и при двух значениях времени задержки стартового сигнала ВАП. Для упрощения эксперимента устройство задержки стартового сигнала ВАП можно сделать переключаемым на два различных значения времени задержки. Тогда система трех уравнений (1), (2) и (5) с тремя неизвестными обеспечит возможность вычисления всех трех неизвестных, не прибегая к каким-либо предположениям.