О. Деревенский - Фиговые листики теории относительности

• Название: Фиговые листики теории относительности
• Автор: О. Деревенский
• Жанр: Физика

Канонизированная версия появления теории относительности (ТО), вкратце, такова. На рубеже XIX-XX веков был в оптике движущихся тел жуткий кризис. Физики захлебнулись в противоречиях, сидели в прострации и не знали, что делать дальше. Тут-то Эйнштейн и вывел этих недотёп на путь истинный. Все-то противоречия его ТО устранила, все-то эксперименты она объяснила, да ещё кучу предсказаний сделала – и все они великолепно подтвердились на опыте!

Ну, красная цена канонизированным версиям хорошо известна: «Боже мой, что скажет история?» - «Да не волнуйтесь, история солжёт, как всегда!»

И точно! Никаких противоречий ТО не устранила: она их послала куда подальше, а от себя новых насадила, ласково называя их парадоксами. Никаких экспериментов она не объяснила: она выдала постулаты без каких бы то ни было объяснений. А что касается дух захватывающих предсказаний ТО – мол, у движущегося с околосветовой скоростью объекта продольный размер сокращается чуть не в ноль, время растягивается чуть не на веки вечные, а масса растёт в дурную бесконечность – так правда в том, что все эти предсказания великолепно подтверждаются лишь мысленными экспериментами. А в физических экспериментах – не считая тех, тривиальные результаты которых ничего не доказывают – всё получается не так, как предсказывает ТО.

Вам трудно такое представить? Ничего страшного: по меткому выражению Ландау, «ныне учёные способны постигать даже то, чего не могут себе вообразить».

Было бы желание!

---

Смотрите: если истинные-однозначные скорости излучателя и приёмника имеют чёткий физический смысл – а выше мы пояснили, как следует отсчитывать эти скорости – то линейный эффект Допплера в электродинамике объясняется аналогично тому, как он объясняется в акустике. Соответственно, и величина его должна зависеть только от проекций истиннных-однозначных скоростей излучателя и приёмника на соединяющую их прямую. А теперь, внимание: планеты покоятся в центрах своих сфер тяготения, поэтому истинные-однозначные скорости планет равны чему? Правильно, они равны нулю! Теперь представьте: мы посылаем с Земли на другую планету узкополосный сигнал и принимаем его отражение. Вопрос: проявится ли через допплеровский сдвиг сближение или расхождение Земли и этой планеты? Ответ: нет, не проявится!

И на опыте это так и есть. В 1961 г. группа под руководством Котельникова провела удачную радиолокацию Венеры – не импульсами, а именно узкополосным сигналом. Причём, принцип детектирования эхо-сигнала был основан на выделении его из шумов в очень узкой полосе. А чтобы он в эту полосу попал, требовалось, по релятивистским меркам, компенсировать огромный допплеровский сдвиг, соответствующий удалению Венеры со скоростью более 2 км/с. Так вот, результат оказался ошеломляющим. Когда компенсация допплеровского сдвига проводилась, никаких эхо-сигналов не обнаружилось. А когда компенсация НЕ проводилась, эхо-сигналы убедительно обнаруживались!

Об этом секрете удачной радиолокации Венеры мало кто знает. Даже за словесную критику ТО можно было не только распрощаться с научной карьерой, но и скоротать остаток жизни в психлечебнице. А тут получился не просто трёп, а убийственный для ТО опытный факт… Котельников и его сотрудники нашли соломоново решение. Они написали про этот факт – но, так сказать, по частям, рассредоточенным аж в трёх статьях одного и того же номера «Радиотехники и электроники». «Публикаций у нас маловато!» - пояснили они редактору. Каждая из этих статей по отдельности выглядела серенько и ни о чём таком убийственном не говорила. Но тот, кто догадался бы их сопоставить, имел бы дело со страшным коктейлем.

Впоследствии радиолокационщики чуть не наизнанку вывернулись, чтобы убедить научную общественность в наличии эффекта Допплера при радиолокации Венеры. Смотрите, мол: и собственное-то вращение Венеры мы замерили по противоположным допплеровским сдвигам у отражений от западного и восточного краёв её диска, и даже некоторые крупные особенности её поверхностного рельефа различили! Ну, какие молодцы – возьмите с полки по пирожку! Если уж Венера имеет собственное вращение, то, конечно, истинные-однозначные скорости элементов её поверхности не равны нулю – что и даст соответствующие вкладики в допплеровские сдвиги. Надо же: нет главного вклада, который тянет на километры в секунду, но зато есть вкладики, которые тянут на несколько метров в секунду! Это, конечно, здорово утешает. Родная мама не утешила бы лучше!

Вот так и вышло, что специалисты по дальней космической связи, управлявшие автоматическими межпланетными станциями, тоже пребывали в несокрушимой уверенности насчёт того, что линейный эффект Допплера здесь определяется скоростью удаления космического аппарата от наземной антенны, или, наоборот, скоростью его приближения к ней. Так говорит ТО! Какие, мол, сомненья?! Вот так, под знаменем ТО, и летели аппараты к Венере и к Марсу. А когда долетали они до чужой сферы тяготения и пересекали её границу – радиосвязь с ними немедленно пропадала, и операторам только и оставалось, что помахать им ручкой (мы об этом уже писали в «Бирюльках…»). Вот так, под знаменем ТО, и потеряли целый ряд советских и американских аппаратов на первых подлётах к Венере и Марсу. Помните, перед влётом в планетарную сферу тяготения, истинная-однозначная скорость аппарата – это его скорость в гелиоцентрической системе отсчёта, а после влёта – в планетоцентрической? А сама-то планетарная сфера тяготения движется вокруг Солнца – да с приличной скоростью. Видите, при пересечении аппаратом границы планетарной сферы тяготения, просто обязан происходить скачок его истинной-однозначной скорости – по правилам векторного сложения. А, значит – и соответствующий скачок допплеровского сдвига при радиосвязи с ним. Руководители межпланетных полётов отлично знают про эти пограничные скачки скорости: игнорируя их, межпланетный полёт правильно не рассчитаешь. И про пограничные допплеровские скачки они тоже отлично знают: игнорируя их, пропавшую радиосвязь не восстановишь. И не могли эти руководители быть такими идиотами, чтобы не сопоставить те и другие скачки. И не увидеть, что они вполне соответствуют друг другу. И не понять при этом, что успешные межпланетные полёты начали получаться тогда, когда управление аппаратами начали выполнять совершенно диким, по меркам ТО, образом. Всё эти руководители знают, всё они понимают. И при этом, загадочно улыбаясь, уверяют всех и вся, что и ближние, и дальние космические полёты происходят в согласии с ТО – да с неслыханной точностью. Впрочем, что верно, то верно: кроме них, никто про эту «точность» не слыхивал.

Заметим: этот бесценный опыт межпланетных полётов говорит о том, что, при пересечении границы планетарной сферы тяготения, переключается «инерциальная привязка» не только для скорости космического аппарата, но и для скорости света! Кстати, а вы знаете, сколько у света скоростей? Или вы полагаете, что она у него одна? Вот, похоже, Эйнштейн именно так и полагал: он везде говорил про скорость какого-то «луча света». Летит, мол, себе этот «луч», да со скоростью – ну и слава Богу. Если бы сегодняшние студенты знали, что на такой формулировочке держится фундамент теоретической физики, то им, право, стало бы неловко. Им-то известно, что у света есть фазовая скорость, с которой движутся световые волны, и групповая скорость, с которой движутся световые импульсы. Как измерять фазовую скорость – экспериментаторам хорошо известно. И как измерять групповую скорость – им тоже известно не хуже. Но попросите-ка их измерить скорость «луча света»! Они посмотрят на вас умными глазами и спросят: «Батенька, о чём вы?» Ну, кто бы мог по горячим следам подумать, что всё так выйдет? По горячим следам думалось о другом – и додумалось вот до чего: «Никакой физический объект не может двигаться быстрее света!» И, для слабоумных, примечание сделалось: «В том числе – и сам свет!» Поясняем: в противном случае вся математическая конструкция ТО рассыпалась бы.

И что же? Первого противного случая оказалось совсем недолго ждать. Обнаружилось, что, при движении света в вещественных средах, происходят дивные вещи: у света с длинами волн, попадающими на ту или иную линию поглощения в веществе, фазовая скорость может превышать скорость света в вакууме в разы и даже на порядки. Пришлось релятивистам комментарии сооружать: «Ах, ну что такое фазовая скорость, в конце концов? Она же явно какая-то ненастоящая! Ничего с этой скоростью не летит – только фаза сдвигается, а это, уверяем вас, совсем не страшно! Вот если, господа экспериментаторы, вы обнаружите групповую сверхсветовую скорость – тогда, действительно, нам будет крышка. Ищите-свищите!»

То, что свершилось дальше, не укладывается в шкалу не только релятивистских, но и общефизических ценностей. В 1966 г. Басов с сотрудниками сообщили о результатах исследований временных задержек на движение лазерного импульса в системе генератор-усилитель. Между рубиновым лазером-генератором и парой рубиновых стержней-усилителей было расстояние около 2.5 м. Делительная пластинка делала из одного лазерного импульса два, каждый из которых в итоге попадал на свой фотодетектор, но разница была в том, что один путь проходил сквозь усилитель, а другой – нет. Ну, а сигналы с фотодетекторов подавались на скоростной двухканальный осциллограф. И вот, представьте. При выключенном усилителе, т.е. при отключенных лампах его «накачки», согласовывали задержки в электрических схемах двух каналов так, чтобы на экране осциллографа оба всплеска фототока происходили синхронно. А потом – всего лишь включали усилитель. И – приходили в крайнюю степень изумления. Всплеск фототока от импульса, проходившего через усилитель, теперь опережал во времени другой всплеск, который служил опорным. Изумляла величина этого опережения: она была запредельно велика. Казалось бы: изменения, которые могли сказаться на задержке, делались лишь на протяжении усилителя. Если допустить немыслимую ситуацию, при которой лазерный импульс проходит по включённому усилителю мгновенно, то даже тогда выигрыш во времени составил бы всего 1.6 наносекунды. А осциллограф весело показывает: не 1.6, а целых 9 наносекунд! Кстати, длительность самого-то импульса составляла что-то около трёх наносекунд, т.е. эффект вырисовывался очень уверенно. Впоследствии всё подтвердилось в ряде других лабораторий – с использованием различных лазеров и различных нелинейных ячеек: не только усиливающих, но и поглощающих. Главное – спектральные линии генератора и нелинейной ячейки должны были совпадать. И тогда результат был неизменно превосходен, причём «запредельность» опережения исчислялась уже десятками и сотнями раз…