Честная физика. Статьи и эссе.

3. Фиговые листки теории относительности.

 

3.5. …И другие интересные предсказания ТО.

 

 

       А мы пока расскажем, что вышло с другими шикарными предсказаниями ТО. Что касается релятивистского сокращения размеров, то из этого ничего и не вышло. Разговоров-то было много; обсуждались даже такие тонкости, как оптимальное положение астронавтов в фотонной ракете, чтобы им легче было перенести сплющивание в лепёшку. А экспериментов не было. Но совсем другое дело вышло по вопросу о «замедлении времени». Это – целая поэма. Релятивистов хлебом не корми, а дай им только пожужжать про то, как время замедляется. Вот, специальная теория относительности (СТО) утверждает, что чем быстрее объект движется, тем медленнее для него течёт время (только сам объект при этом всё равно ничего не почувствует: он же относительно себя всегда покоится). А общая теория относительности (ОТО) добавляет: там, где гравитация сильнее, там и время течёт медленнее. И вот эти два замедления времени, релятивистское и гравитационное, на опыте, мол, наблюдаются! В точности так, как предсказывают СТО и ОТО!

       Неужели это и вправду так? Ну, как же, кричат нам, кто ж не знает, что движущиеся мезоны живут дольше, чем покоящиеся! Да, многие слышали о том, что с мезонами что-то такое делали, но мало кто знает, что именно. А знающие помалкивают. Ибо помалкивать есть о чём. У теоретиков-то всё гладко получается. Берём, дескать, время жизни покоящегося мезона, потом берём время жизни движущегося мезона, и сравниваем их. Ну, ну. «Одну ягодку – беру, на другую – смотрю, третью – примечаю…» И так далее. А на практике с мю-мезонами (мюонами) знаете какие ягодки получились?

       Вначале работали с мюонами природного происхождения, которые с околосветовой скоростью летят в атмосфере вниз, за компанию с ударно их породившими быстрыми протонами космических лучей. Электрон, который выстреливается при распаде мюона, даёт вспышку в сцинтилляторе: так регистрировались моменты распада мюонов. Моменты же их рождения были заведомо неизвестны. Представьте, дают вам даты смертей по N-скому району за такой-то месяц такого-то года и просят установить на основе этой статистики смертей среднюю продолжительность жизни тамошнего населения. Не возьмётесь? А вот среди физиков есть любители подобных задачек. Глядя на всё с присущим им юмором, эти любители быстренько установили время жизни покоящегося мюона. Вы, небось, грешным делом подумали, что речь идёт о времени жизни мюона, покоящегося всю свою жизнь? Да откуда же такому взяться, если при рождении он приобретает околосветовую скорость?! Притормаживали их, конечно, плитами-ослабителями. А измеряли промежуток времени между влётом мюона в поглотитель и вылетом оттуда электрона распада. Этот-то промежуток времени, в среднем 2.2 микросекунды, специалисты и стали называть временем жизни покоящегося мюона. Когда мы увидели это впервые, то подумали, что здесь какая-то ошибка. Но нет, разные авторы твердили одно и то же. Если вы, дорогой читатель, думаете, что эти авторы белены объелись, то попробуйте воспринять формулировочку «время жизни покоящегося мюона» как можно буквальнее, и вы испытаете просветление. Смотрите, перед тем, как застрять в поглотителе, мюон жил ещё чёрт знает сколько, так ведь на лету! А, застрявши-то, он жил именно 2.2 микросекунды!

 

       Основываясь на этой цифре, уже можно было хвататься за подтверждение ТО. Первое «подтверждение» получилось без всяких измерений, навскидку. Согласно тогдашним теоретическим воззрениям, мюоны рождались на высотах 15-20 км. Следите за логикой: если движущийся мюон жил бы столько же, сколько покоящийся, т.е. 2.2 микросекунды, то, двигаясь в течение этого времени даже со скоростью света, он пролетел бы всего 660 м. А он, как бы, пролетает многие километры! Видите, мол, без замедления времени тут никак не обходится! Логика настолько проста, что это «подтверждение» включили чуть не во все учебные пособия. Читатели от восторга кипятком писали. Ну, всё, мол, в полном согласии с ТО! Как предсказала, так и вышло! Этим читателям не приходило в голову даже то, что на пролёт мюоном, скажем, 15 км тратилось какое-то время и «по его собственным часам». Чтобы его найти в согласии с ТО, надо время, затрачиваемое «с точки зрения экспериментаторов» (для 15 км это около 50 микросекунд) разделить на релятивистский фактор (это величина, обратная лорентцеву квадратному корню). При релятивистском факторе, равном, скажем, десяти, получается, что в полёте мюон жил, «по собственным часам», 5 микросекунд. Так что же, следует ли эту цифру приплюсовать к тем двум микросекундам, в течение которых мюон прозябал в поглотителе? Ась? А если мюон летел с высоты 20 км, а релятивистский фактор равен пяти, сколько тогда приплюсовывать придётся? Харя не треснет?

 

       Тут, наверное, релятивисты упрекнут нас в том, что мы издеваемся почём зря. Сегодня-то хорошо известно, что мюоны рождаются не только на высотах 15-20 км, а на всей толщине атмосферы: везде, где её пронизывают протоны космических лучей. Если, любезные, вам это хорошо известно, то пора бы признать: ваши слова о том, будто сам факт регистрации природных мюонов на уровне моря говорит о замедлении их времени в полёте – это неудачная шутка. Вот признаете – глядишь, и издеваться перестанут.

       Кстати, помимо слов, были ведь, гляди ты, измерения! Так, улыбчивые американцы Фриш и Смит набрали статистику потоков мюонов на двух различных высотах: сначала на вершине горы, а затем почти на уровне моря. Полученная ими «постоянная распада» превышала те самые 2.2 микросекунды в 8.8 раз, что, в пределах погрешностей, соответствовало релятивистскому фактору 8.4 у мюонов, попадавших в обработку. Вот, мол, и доказательство! Увы, эта логика работала бы, если бы все мюоны рождались где-то высоко. А они рождаются, в том числе, и на высотах в промежутке между вершиной горы и уровнем моря. Так что, опять же, никакой доказательности… Впрочем, откуда ей вообще взяться? Вспомните, 2.2 микросекунды – это вовсе не время жизни мюона, который покоился всю свою жизнь. Поэтому, если вас уверяют, что удалось измерить, будто движущийся мюон живёт 2.2 микросекунды, умноженные на релятивистский фактор, знайте: о релятивистском замедлении времени это ни в коем случае не свидетельствует!

 

       Похоже об этом даже не подозревала команда, работавшая на кольцевом накопителе мюонов в ЦЕРНе. Небось взяли время жизни покоящегося мюона из справочника, и давай доказывать, что движущийся мюон живёт дольше, причём отношение равно релятивистскому фактору. Очень старались! А мюоны у них рождались в результате искусственных реакций, так что моменты их рождения были известны! Ну вот, делали инжекцию порции релятивистских мюонов в накопитель и регистрировали электроны распада детекторами, размещёнными внутри кольца. Для двух различных энергий мюонов с релятивистскими факторами примерно 12 и 29 надыбали именно то, что хотели, т.е. соответствующие средние времена у распределений электронов распада. А отчего бы такие времена не надыбать? Мюоны-то удерживаются на кольце сильным однородным магнитным полем, вектор которого ортогонален плоскости кольца, и слабым фокусирующим электрическим полем. Так эти поля и на электроны распада действуют! Масса покоя электрона примерно в 200 раз меньше, чем «масса покоя мюона», а релятивистский фактор у электрона распада примерно во столько же раз больше, чем у породившего его мюона. Значит, циклотронная частота у электронов распада примерно та же, что и у мюонов кольца. К тому же, электрон распада начинает полёт с наибольшей вероятностью в том же направлении, в котором летел породивший его мюон. Выходит, что этот электрон, прежде чем попасть в детектор, успеет сделать сколько-то оборотов, двигаясь по скручивающейся спирали. Вот и получится распределение электронов распада с увеличенным средним временем… Тоже мне, властелины накопительных колец! «Мюоны кручу-верчу, всех надурить хочу!»

 

       Ну, хватит про подопытных мюончиков. Смотрите, какой дивный эффект открыл Мёссбауэр: получил исключительно узкие спектральные линии при излучении-поглощении гамма-квантов! Настолько узкие, что можно было проверять предсказания СТО и ОТО!

       Само собой, мёссбауэровские источники и поглотители пошли нарасхват. Сразу же проверили предсказание ОТО насчёт «гравитационного красного смещения». Это они вот о чём: если уж «внизу» время течёт медленнее, чем «наверху», то свет, двигаясь вверх или вниз, обязан изменять свою частоту. Ну, вот, Паунд и Ребка думали, что такое изменение частоты гамма-квантов они и засекли. Источник и поглотитель у них были разнесены по высоте на 22.5 м; полезный эффект выцарапывали по скорости, с которой следовало двигать поглотитель, чтобы благодаря линейному эффекту Допплера восстанавливалось резонансное поглощение. Величина полезного эффекта оказалась в точности такой, как предсказывала ОТО для сдвига частоты света! Ошалев от радости, совсем забыли, что ОТО предсказывала ещё кое-что. А именно: если источник и поглотитель с идентичными спектральными линиями находятся на разных высотах, то эти линии не совпадают на такую же величину, как и величина «гравитационного красного смещения». Кто не верит, внимательно читайте Эйнштейна или хотя бы загляните в «Теорию поля» Ландау и Лифшица. Там чётко сказано: во-первых, свет, двигаясь в изменяющемся гравитационном потенциале, должен изменять свою частоту, и, во-вторых, двое одинаковых часов, находящихся в разных гравитационных потенциалах, должны иметь разный ход. Для квантовых системок это напрямую и означает несовпадение их спектральных линий.

       Когда мы показали всё это одному знакомому, который честно встроил ТО в своё мировоззрение, он впал в сильное волнение и брякнул, что Ландау и Лифшиц имели там в виду совсем другое. Ну, нет, друзья: если вы пишете одно, а имеете в виду совсем другое, то вы пишете не научный труд, а девочке записку! А разволновался наш знакомый оттого, что сразу сообразил, к чему идёт дело. Такой фундаментальный феномен, как замедление времени, должен действовать на всё, что попадётся под руку – и на свет, и на вещество. И если при разъехавшихся линиях у источника и поглотителя ещё и гамма-кванты изменяли бы свою частоту в полёте, то эффект у Паунда и Ребки был бы удвоенный. А он был одинарный. Причём поначалу нельзя было сказать уверенно, чем же был обусловлен этот одинарный эффект: то ли только несовпадением линий источника и поглотителя, то ли только изменением частоты гамма-квантов. Забегая немного вперёд, скажем: сегодня наука знает ответ. Знает – и помалкивает. Эксперименты с перевозимыми атомными часами показали: гравитационные сдвиги спектральных линий, несомненно, имеют место, причём, именно такие, что в точности объясняют весь эффект у Паунда и Ребки. Но это означает, что у света-то, летящего в изменяющемся гравитационном потенциале, частота не изменяется! Вот и верь после этого предсказаниям ОТО!

 

       Не меньшие чудеса обнаружились, когда эффект Мёссбауэра призвали для подтверждения «релятивистского замедления времени», т.е. квадратичного эффекта Допплера. Квадратично-допплеровские сдвиги спектральных линий заметили ещё раньше Айвс и Стилуэлл, которые получили спектр атомов быстрого пучка, летевшего поперёк луча зрения спектрографа. Объяснение прошло «на ура»: обнаружилось, мол, релятивистское замедление времени у движущихся атомов. Тогда вопросик: означает ли «замедление времени у движущегося атома», что его спектральные линии соответственно сдвинуты? Казалось бы да, ведь все процессы в атоме должны замедлиться! И результат опыта – как раз сдвиги спектральных линий! И не свет же здесь изменял свои длины волн: при поперечном движении излучателя, его расстояние от приёмника практически не изменяется!

       Ну, прям детская загадка: «Кожура у него оранжевая, как у апельсина, внутри дольки, как у апельсина, и вкус у них, как у апельсина – что это?» Даже детям понятно: это – апельсин. А релятивисты говорят: нет, банан. Потому что про сдвиги спектральных линий релятивистам даже заикаться нельзя. Сдвиги спектральных линий – это физическая конкретика, это сдвиги уровней энергии. А значит для релятивистов это опять проблемы с законом. Конкретно, с законом сохранения энергии. Ведь пришлось бы объяснять, откуда эти сдвиги уровней берутся. А это релятивистам слабо. Поэтому они и говорят: «Обнаруживаемые на опыте квадратично-допплеровские сдвиги спектральных линий – это просто результат релятивистского замедления времени, без всяких сдвигов спектральных линий!»

       Сей милый трёп продолжился с новой силой, когда дело дошло до мёссбауэровских источников-поглотителей. Их устанавливали на ультрацентрифугах и крутили-вертели от души. Да разные конфигурации использовали: то источник в центре, а поглотитель на ободе, то наоборот. В этих случаях «сдвиги спектральных линий, только без сдвигов спектральных линий» происходили как надо: формула для квадратичного эффекта Допплера отлично работала. А потом Чампни и Мун взяли да источник и поглотитель установили на ободе, с противоположных сторон, при этом их относительная поперечная скорость удвоилась. Но квадратично-допплеровский эффект вместо того, чтобы в согласии с той же формулой учетвериться, обнулился!.. «Тю ты, – вновь обрели дар речи Чампни и Мун, – так и заиками можно стать! Всё правильно: ведь теперь оба болтаются – и источник, и поглотитель. Значит, и время замедляется у каждого из них, причём одинаково. Вот разность и нулевая. Всё в полном согласии с ТО!»

       Что-то вы плохо подумали, любезные. Какое же это полное согласие с ТО, если результат не объясняется в терминах относительных скоростей? Для сравнения: квадратично-допплеровские эффекты, и при поперечном пролёте, как у Айвса-Стилуэлла, и в разных опытах на ультрацентрифугах, легко и единообразно объясняются в терминах соответствующих сдвигов спектральных линий в движущемся веществе. Всё те же эксперименты с перевозимыми атомными часами подтвердили: квадратично-допплеровские сдвиги спектральных линий – это реальность. Правда, релятивисты не понимают, откуда эти сдвиги берутся.

       Не так уж это и сложно; мы к этому вернёмся ниже. А пока, оглядываясь на вышеизложенное, обратим внимание вот на что: т.н. «гравитационное и релятивистское замедление времени» проявляется через физические эффекты, происходящие только с веществом, но не со светом!

 

       Странное оно какое-то получается, замедление времени. Чересчур разборчивое! На вещество оно действует, а на свет, видите ли, не действует. За что же свету такая немилость? Уж не за то ли, что фотонов и вправду нет? Мы ведь уже говорили, что без них всё гораздо проще. Есть фотоны – есть проблемы, а нет фотонов – нет проблем! Кстати, фотоны ведь и импульс не переносят. Давление света – это шутка! Лебедев раскачивал светом крыльчатку из тонюсенькой фольги, но дело там было не в давлении света, а, скорее всего, в его тепловом действии, вызывавшем изгибные деформации. Не верится? Ладно, тогда простенький вопрос: в каком диапазоне импульсы фотонов самые большие? Конечно, в гамма-диапазоне. Так спросите специалистов по экспериментальной ядерной физике. Они подтвердят, что на практике от импульсов гамма-квантов остаются нулики с хвостиками… Вот интересно, как должен поступить настоящий релятивист – чем он должен пожертвовать: фотонами или замедлением времени? А пока релятивисты на эту тему в носу ковыряют (до сих пор руки-то не доходили!), мы расскажем про эксперименты с перевозимыми атомными часами. Тем и хороши эти эксперименты, что здесь все эти мутные проблемы с фотонами удаётся отсечь начисто.

 

       Вот, смотрите, что проделали Хафеле и Китинг с четвёркой атомных часов. Каждые часы из этой четвёрки аккуратно сличили со шкалой времени Военно-морской обсерватории США, и спрогнозировали их хода по отношению к этой опорной шкале на ближайшее обозримое будущее. А затем с величайшей осторожностью, не пиная часы ногами, прокатили их вокруг света на самолёте. Да опять провели сличения с той же шкалой. И вот что увидели: после воздушных приключений, свои хода часы сохранили, но их разности с прогнозами оказались сдвинуты, практически, на одну и ту же величину. Ага! Значит, это и есть накопившаяся сумма релятивистских и гравитационных эффектиков, которых часы нахватали в ходе своей кругосветки. Высший пилотаж! Затем для контроля часы прокатили вокруг света второй раз, в противоположном направлении. Поскольку сличения проводились в том же самом месте, где формировалась опорная шкала, то и вправду не было никаких кривотолков, связанных с загадками при распространении света.

       Ещё убедительнее сумма релятивистских и гравитационных эффектиков проявилась, когда запустили первые экспериментальные спутники навигационной системы GPS с квантовыми стандартами частоты на борту. Если у Хафеле и Китинга запас по точности был невелик, то здесь этот запас составлял почти четыре порядка! Правда, здесь без радиосвязи со спутниками не обошлось, но кривотолки также были исключены. Ведь спутники летают долго, и разность между бортовыми и наземными часами монотонно накапливается. Если информация о показаниях бортовых часов передаётся на Землю в импульсных кодах, то радиосигналы, несущие эту информацию, отсебятины в неё при своём движении практически не добавляют. Вот так и убедились в том, что сумма релятивистского и гравитационного эффектов у бортовых часов GPS – это серьёзно! На радостях частоты бортовых стандартов перед запуском их на орбиту стали специально сдвигать в конкретную сторону и на конкретную величину, чтобы системная шкала GPS, подправленная релятивистским и гравитационным эффектами, имела такой же ход, что и наземная. Тютелька в тютельку!

       Радости действительно было полные штаны: вот оно, мол, релятивистское и гравитационное замедление времени – с полной очевидностью! Бей в барабаны, труби в трубы! Пусть веселится и ликует весь народ! Ну, народ и ликовал, не догадываясь о двух тонкостях из разряда «Совершенно секретно».

 

       О первой из них мы уже упоминали выше: как ни дико это звучит, релятивистские эффекты на опыте всегда получаются однозначные. Например, если пару атомных часов сличить рядышком, затем одни из них повозить, нахватав релятивистских и гравитационных эффектиков, и затем снова сличить эту пару рядышком, то набежавшая разность будет конкретная: скажем, -230 наносекунд. Хоть ты тресни: -230 наносекунд, ни наносекундой больше или меньше. А ведь расчёты релятивистского вклада в эту набежавшую разность, выполняемые в различных системах отсчёта, будут давать различные предсказания. Именно потому, что релятивистский эффект квадратичен по скорости. Верный расчёт получится лишь в какой-то одной системе отсчёта, остальные расчёты окажутся неверными.

       И впервые этого хлебнули как раз Хафеле и Китинг. Они фактически устроили проверочку того, как на опыте обстоят дела с пресловутым «парадоксом близнецов». Помните? Один остался сиднем сидеть, другой покатался и вернулся. Так кто из них оказался постаревшим больше? СТО утверждает, что у движущегося объекта время течёт медленнее, чем у покоящегося. Смешной вопрос: какие часы у Хафеле и Китинга двигались, а какие покоились? Смешной ответ: те, которые повезли на самолёте, двигались, а те, что остались в лаборатории, покоились. Хафеле и Китинг не подозревали, что этот ответ смешной: они именно так и думали. И поэтому расчёт они сделали в системе отсчёта, связанной с наземной лабораторией, подставляя в формулу квадрат скорости транспортируемых часов относительно лабораторных. Сделали они этот расчёт и ахнули: он дал совершенно не те цифры, которые получились на опыте. «Это потому, – догадались Хафеле и Китинг, – что мы неудачно выбрали систему отсчёта. Ну, с кем не бывает! Будем искать дальше: глядишь, удача и улыбнётся!»

       Им ещё крупно повезло: удача улыбнулась уже на второй попытке. Как вы наверное догадываетесь, «удачной» оказалась невращающаяся геоцентрическая система отсчёта. По отношению к ней двигались не только те часы, которые возили на самолёте. Те часы, которые оставались в лаборатории, двигались тоже – из-за суточного вращения планеты. Соответственно, расчёт квадратично-допплеровских эффектов пришлось делать и для транспортируемых, и для лабораторных часов – индивидуально. Вот тогда всё сошлось. Задним-то умом даже СТО крепка! Авторы и шуточку-прибауточку по этому поводу выдали. Мол, система отсчёта, связанная с наземной лабораторией, она неинерциальна, и делать в ней расчёты – это дохлый номер. А вот система отсчёта, связанная с центром Земли, она инерциальна, и делать в ней расчёты – одно удовольствие. Ну, ну.

 

       Во-первых, не одно удовольствие, а два. Релятивистский-то эффект следует считать дважды: и для тех часов, и для этих, а потом ещё разность брать. А, во-вторых, скажите на милость, что же такого инерциального в геоцентрической системе отсчёта? Или вы совсем позабыли, что она ускорение имеет в направлении к Солнцу? Не в инерциальности дело, любезные! А в том, что каждые атомные часы имеют квадратично-допплеровское замедление хода в соответствии с квадратом своей индивидуальной, истинной-однозначной скорости! Вот такой подход даёт верный расчёт квадратично-допплеровских эффектов. А концепция относительных скоростей верного расчёта не даёт, она даёт лишь «парадокс часов», которого на опыте-то и нет.

       Когда релятивисты в этом убедились, они быстренько разъяснили, что здесь всё дело в асимметрии: несущее возимые часы транспортное средство разгоняется, тормозится, разворачивается, и т.д. В общем, из ускорений не вылезает. Вот, мол, и разгадка «парадокса часов»: движутся те часы, чьё движение ускоренное, а другие часы покоятся. Ну, и сильно эта «разгадка» помогает по жизни, например, в случае у Хафеле-Китинга? Не говоря уже про случай с GPS!

 

       Будем же реалистами: в терминах относительных скоростей не получается верный расчёт квадратично-допплеровских эффектов в экспериментах с перевозимыми атомными часами! Относительные скорости – это, граждане, чистая формальность. А к реальным физическим эффектам приводят скорости истинные-однозначные! Для СТО здесь – полный конец. Даже названия от неё не останется, ибо относительности-то на опыте и нету! Вот об этом и помалкивали, когда раздували горнило триумфа GPS. «Главное, – кричали, – что здесь релятивистское замедление времени отлично заметно!» Вот оно, мол, вот оно! На шкалу намотано! Откуда публике было знать, что эта намотка на шкалу происходит совсем не так, как предсказывает СТО?

 

       Напоминаем, это был первый из двух секретиков. Сейчас про второй скажем, приготовьтесь. Если стоите, лучше присядьте. И вдохните поглубже. В общем, так: пятнадцатью годами раньше начала «эры GPS» у экспериментаторов была ещё одна возможность отличиться. Сподобились они запустить первую парочку спутников низкоорбитной навигационной системы TIMATION. На бортах этих спутников работали великолепные кварцевые стандарты, частоты которых контролировались с точностью не хуже 10-11. А сумма релятивистского и гравитационного эффектов для спутников на орбите с высотой 925 км, составляет около 2×10-10. Имей место эти эффекты, их сумма непременно обнаружилась бы. Но разочарование оказалось страшным: эта сумма и не подумала обнаружиться. Естественно, перспективную программу TIMATION наглухо прикрыли. В гробу они видали такие перспективы. Кому нужна навигационная система, которая работает, попирая СТО и ОТО? Прям как в детском мультике, когда, помните, Чебурашку в зоопарк не приняли, сказавши: «Нет, не пойдёть! Неизвестный науке зверь!» Короче, экспериментаторам популярно разъяснили, что спутниковую навигационную систему можно сделать только с квантовыми стандартами на бортах. Мол, как хотите, так их в космос и выводите! Да лишнего не болтайте!

       А теперь, дорогой читатель, сопоставьте поведение стандартов частоты на бортах спутников GPS и TIMATION. И издайте вопль изумления. Релятивисты тычут вас носом: вот, мол, квадратично-допплеровские и гравитационные сдвиги частот в GPS – это и есть очевидное свидетельство о замедлении времени! А ведь обманывать – нехорошо. Мы уже говорили (да и без нас это ясно!) что такой фундаментальный феномен, как замедление времени, влиял бы на все периодические процессы и, значит, приводил бы к одинаковым относительным сдвигам частот у генераторов любых типов. Ну, и где оно всё? Что это за «замедление времени» получается, которое на квантовые генераторы действует, а на кварцевые – нет? А вот что: никакое это не замедление времени! Извините, любезные, но причина квадратично-допплеровских и гравитационных эффектов – совсем другая.