Семь экспериментов, которые изменят мир
Шрифт:
УМЕНЬШЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА В ВАКУУМЕ С 1928 по 1945 ГГ
В соответствии с теорией относительности Эйнштейна скорость света в вакууме инвариантна: она является абсолютной константой. Большинство современных физических теорий основывается именно на этом постулате. Поэтому существует стойкое теоретическое предубеждение против того, чтобы рассматривать вопрос о возможном изменении скорости света в вакууме. В любом случае вопрос этот в настоящее время официально признан закрытым. С 1972 г. скорость света в вакууме была объявлена постоянной по определению и теперь считается равной 299792,458 ± 0,0012 к/с.
Так же как и в случае с гравитационной постоянной, прежние измерения этой константы значительно отличались от современной, официально признанной величины. К примеру, в 1676 г. Ремер вывел величину, которая была на 30 % ниже современной, а полученные в 1849 г. результаты Физо были на 5 % выше. [253]
253
«Свет», энциклопедия Британника, 15-е изд.
В 1929 г. Бердж опубликовал свой обзор всех доступных на тот момент результатов измерений скорости света в вакууме и пришел к заключению, что наиболее точное значение этой константы равно 299796 ± 4 км/с. Он указал, что вероятная ошибка в данном случае гораздо меньше, чем при измерении численных значений других фундаментальных констант, и пришел к заключению, что «приводимая величина скорости света в вакууме является вполне удовлетворительной и ее можно считать более или менее окончательно установленной». [254] Однако уже к тому времени, когда был сделан этот вывод, было получено значительно меньшее значение этой константы, а в 1934 г. Дж. Г. де Брей предположил, что существуют данные, указывающие на циклические изменения скорости света в вакууме. [255]
254
Бердж, Р.Т. Вероятные значения основных физических констант (Birge, R. Т. Probable values of the general physical constants. Reviews of Modern Physics, 1929 1:1-73, p. 68).
255
Де Брей, Э.Дж. Г. Скорость света (de Bray, E.J. G. Velocity of light. Nature, 1934, 133:948).
Ил. 14. Лучшие результаты измерений скорости света в вакууме с 18743 по 1972 гг.
С 1928 по 1945 гг. скорость света в вакууме, как оказалось, была на 20 км/с меньше, чем до и после этого периода (таблица 2). «Лучшие» результаты, полученные ведущими исследователями, использовавшими различные методы, были поразительно близкими, и все имевшиеся на тот момент данные собрали и систематизировали Бердж в 1941 г. и Дорси в 1945 г.
Таблица 2
В конце 40-х гг. величина этой константы вновь стала возрастать. Неудивительно, что когда новые измерения стали давать более высокие значения этой постоянной, среди ученых сначала возникло некоторое недоумение. Новая величина оказалась примерно на 20 км/с выше прежней, то есть достаточно близкой к установленной в 1927 г. Начиная с 1950 г. результаты всех измерений этой константы опять оказались очень близки друг к другу (ил. 15). Остается лишь предполагать, как долго сохранялось бы единообразие получаемых результатов, если бы измерения продолжали проводиться. Но на практике в 1972 г. было принято официальное значение скорости света в вакууме, а дальнейшие исследования прекращены.
256
Данные по: Фон Фризен. О значениях фундаментальных констант атомной физики (von Friesen, S. On the values of fundamental atomic constants. Proceedings of the Royal Society, 1937, Al60:424–440): Петли, Б.У. Фундаментальные физические константы и границы метрологии (Petley, В. W. The Fundamental Physical Constants and the Frontiers of Metrology. Bristol: Adam Hilger, 1985. p. 295).
Как можно объяснить уменьшение этой константы в период с 1928 по 1945 гг.? Если речь идет только об ошибке в экспериментах, почему в этот период все результаты, полученные различными исследователями и при использовании различных методов, настолько хорошо согласуются друг с другом? И почему ошибка всегда оказывалась столь низкой?
Суть одного из возможных объяснений сводится к тому, что скорость света в вакууме на самом деле время от времени меняет свое значение. Вероятно, в течение примерно двадцати лет она действительно имела меньшую величину. Однако такую возможность никто, кроме де Брея, всерьез не рассматривал. Уверенность в том, что данная константа должна иметь фиксированное значение, оказалась настолько сильна, что полученные в тот период экспериментальные данные удостоились лишь весьма поверхностного объяснения. Этот примечательный эпизод в науке в настоящее время принято объяснять психологическим фактором:
«В экспериментах той эпохи существовала заметная тенденция к всеобщему согласию, которую кто-то деликатно назвал "блокировкой интеллектуальной фазы". Специалисты по метрологии, как правило, хорошо осознают возможность такого рода эффектов. Всегда найдутся услужливые коллеги, которые будут рады направить вас в нужном направлении! (…) Помимо выявления ошибок, близкое завершение эксперимента приносит более частые и более активные контакты с заинтересованными коллегами, а подготовка к написанию статьи или отчета открывает новые виды на будущее. Все эти обстоятельства, вместе взятые, и предотвращают появление "окончательного результата", заметно отличающегося от общепринятых воззрений. Следовательно, очень легко выдвинуть и трудно опровергнуть подозрение в том, что исследователь перестает заботиться об уточнении своих результатов, если они оказываются близкими к результатам других ученых». [257]
257
Петли, Б.У. Фундаментальные физические константы и границы метрологии (Petley, B.W. The Fundamental Physical Constants and the Frontiers of Metrology. Bristol: Adam Hilger, 1985, pp.294–295).
Но если предшествующие изменения в численных значениях фундаментальных констант приписывать психологии экспериментаторов, тогда, по справедливому замечанию других выдающихся специалистов в области метрологии, «возникает довольно неудобный вопрос: можем ли мы быть уверены, что этот психологический фактор не сохраняет свое значение и в наши дни?» [258] Однако по отношению к численному значению скорости света в вакууме этот вопрос в наши дни считается чисто академическим. Теперь не только сама эта константа объявляется постоянной по определению, но и все единицы измерения, в которых фигурирует данный параметр, — расстояние и время — теперь определяются через скорость света в вакууме.
258
Бирден, Дж. Э., Томсен, Дж. С. Резюме по константам атомной физики (Bearden, J. A., and J. S. Thomsen. Resume of atomic constants. American Journal of Physics, 1959, 27:569–576).
Секунда обычно определялась как 1/86400 доля средних солнечных суток, но теперь ее определяют как интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущений внешними полями. И метр с 1983 г. был определен через скорость света в вакууме, по определению постоянной.
Как указал Брайан Петли, вполне возможно, что
«…скорость света в вакууме может (а) меняться со временем, (б) зависеть от направления в пространстве или (в) реагировать на вращение Земли вокруг Солнца, движение внутри Галактики или какие-то другие факторы». [259]
259
Петли, Б.У. Фундаментальные физические константы и границы метрологии (Petley, B.W. The Fundamental Physical Constants and the Frontiers of Metrology. Bristol: Adam Hilger, 1985 p. 68).