Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

При такой энергии масса частицы, а следовательно и инерция, становится в 10 000–100 000 раз больше массы покоя. Соответственно требуется в 10 000–100 000 раз более сильное магнитное поле, чтобы удержать такой электрон на круговой орбите ускорителя, при этом скорости частиц отличаются от скорости света на одну миллиардную. Отсюда и гигантские размеры современных больших ускорителей — Большой адронный коллайдер, ускоритель Международного центра ядерных исследований (ЦЕРН) вблизи Женевы, собранный глубоко под землей, не уместился в Швейцарии — часть его оказалась во Франции (нужно было найти геологически безопасную площадку).

Рассказывают, что когда строительство большого ускорителя в США приостановилось (Сенат урезал суммы на самую крупную статью расходов — трансформаторное железо для огромных магнитов), то Джулиан Швингер, блистательный теоретик и расчетчик, собрал команду, и они совершили невозможное — пересчитали все магниты на сердечники из отживших свое время и потому практически ничего не стоящих старых рельсов вместо фигурных листов первосортного специального железа.

Такие машины стоят очень дорого, и поэтому их строят коллективно. Никто не может сказать, принесут ли эти исследования практическую пользу налогоплательщикам или нет, и когда можно эту пользу ожидать, но, во-первых, стоит вспомнить историю с английским королем Георгом IV, не ожидавшим ничего полезного от работ Фарадея, а во-вторых, как говорят, во время строительства ускорителя ЦЕРНа физиками и инженерами, работающими на нем, было сделано столько изобретений (все патенты брались на имя ЦЕРНа) по проходке туннелей, сбору конструкций, электротехнике и электронике сопутствующего оборудования, что доход от них превысил все расходы.

Ускорители показали, что говорить о проверке принципов СТО уже поздно: все они доказаны в инженерной практике.

Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) много и успешно занимался исследованием люминесценции (от латинского «люмен» — свет), т. е. свечения различных материалов, вызванного их предварительным освещением (фосфоресценция, первоначально обнаружена на соединениях фосфора), а также химическими (например, гниением) и механическими процессами (например, при раскалывании куска сахара) и т. д. В 1934 г. он поручил своему аспиранту Павлу Алексеевичу Черенкову (1904–1990) исследовать процессы люминесценции при облучении различных веществ потоком электронов от радиоактивных источников.

Черенков для уменьшения энергии этих электронов пропускал их через воду и вдруг обнаружил совершенно непонятное явление: вода, через которую проходил поток, начинала светиться слабым голубоватым светом.

Черенкову довольно долго не удавалось уговорить кого-нибудь просто посмотреть на это свечение: оно было столь слабым, что для адаптации глаза нужно было долго просиживать в абсолютно темной комнате. Но когда Вавилов и другие убедились, что свечение действительно существует, его природа никак не прояснялась — это не люминесценция: оно мгновенно исчезало при отключении источника, его спектр никак не был связан со спектром воды, оно не зависело от температуры воды, да и наблюдалось оно и в иных жидкостях. Становилось ясно, что это совершенно новое явление.

Над ним упорно думали теоретики Игорь Евгеньевич Тамм[14] и Илья Михайлович Франк (1908–1990) и в итоге доказали, что это релятивистский эффект.

Их рассмотрение проводилось таким образом. Скорость света в воде определяется как скорость света в пустоте, деленная на показатель преломления (он для воды равен примерно 4/3), т. е. составляет около 225 тыс. км/с. Но электроны от радиоактивных источников могут иметь еще большую скорость — необходимо ведь только, чтобы она была меньше 300 тыс. км/с (они могут быть «сверхсветовыми» именно для этой среды). У каждого заряда есть собственное электрическое поле, которое должно при движении заряда за ним следовать, но оно-то ведь не может перемещаться со скоростью, большей скорости света в этой среде, и поэтому от электрона отрывается, т. е. меняется. Всякое изменение электромагнитного поля — это электромагнитная волна, надо теперь сосчитать длины волн, ее образующих, и показать, что этот спектр содержит частоты того голубого свечения, которые наблюдает Черенков. Нужно, кроме того, выяснить, как и на какой длине пути электрон восстановит свое поле, и оно снова будет готово оторваться — это покажет какова может быть интенсивность свечения. (Позже выяснилось, что схожие формулы независимо вывели много раньше О. Хевисайд и А. Зоммерфельд, но… не подумали о том, где такое явление может иметь место, и их работы были забыты.)

Все эти представления и расчеты точно подтвердились в экспериментах — новое явление было названо черенковским излучением, а Черенков, Тамм и Франк были удостоены в 1958 г. Нобелевской премии. Сейчас черенковские счетчики широко применяются в физике и технике: так, например, по интенсивности этого излучения в водных рубашках ядерных реакторов судят об их работе.

В принципе, к этому явлению близко примыкают и эффекты переходного излучения, которое предсказали в 1942 г. Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009, Нобелевская премия 2003 г., но за другие работы) и И. М. Франк: если заряженная частица переходит из одной среды в другую, в которой скорость света меньше, то собственное поле заряда должно быстро перестроиться, но любое изменение поля во времени ведет к излучению или поглощению электромагнитных волн. Поэтому при таком переходе заряд может излучать, а спектр и интенсивность этого излучения будут зависеть от скоростей света в обеих средах. Эффекты переходного излучения проявляются не только при переходе одиночных зарядов из одной среды в другую: при переходе должно изменяться собственное электромагнитное поле, например, электрического диполя (молекулы из двух разных атомов и т. д.) — все такие образования также должны излучать.

Эти эффекты были подтверждены экспериментами, и на их основе также создаются измерительные приборы.

В одной из рукописей Эйнштейна 1920 г. есть фраза: «И тогда мне в голову пришла счастливейшая мысль в моей жизни». Позже он рассказал во время выступления в Японии: «Я сидел в кресле в бернском патентном бюро, как вдруг мне в голову пришла мысль: „В свободном падении человек не ощущает своего веса!" Я был поражен. Эта простая мысль произвела на меня огромное впечатление. Развив ее, я пришел к теории тяготения»[15].

Эту мысль (она называется принципом эквивалентности Эйнштейна) мы и постараемся понять.

Ясно, что оставить теорию тяготения Ньютона без изменений нельзя — в ней ведь взаимодействие распространяется мгновенно, т. е. с бесконечной скоростью, и может, в принципе, разгонять тела до любой скорости — может придать телу скорость, большую скорости света. Еще в ходе работы над СТО Эйнштейн думает о том, как включить в нее гравитационное поле — трудности возникают уже потому, что в нем ведь все тела движутся ускоренно, а СТО не рассматривает ускоренное движение.

Но вот в той же рукописи он пишет: «Для наблюдателя, падающего с крыши, гравитационное поле, по крайней мере в его ближайшем окружении, не существует». И далее поясняет: если вместе с ним падают и другие предметы, то получается, что относительно некоторой, небольшой, локальной системы (с ним падающей) он может считать себя находящимся «в покое».

Еще Галилеем был установлен закон о том, что все тела, вне зависимости от своей массы, падают с одинаковым ускорением (Галилей не мог учесть разности ускорений с высотой поднятия). С центростремительным ускорением падает на Землю спутник — мы уже говорили, что сложение в каждой точке двух движений, инерционного по касательной к орбите и падения на центр, формируют орбиту. И поскольку спутник свободно падает, в нем выполняются условия наступления невесомости (аналогично: ввиду свободного падения Земли на Солнце мы не ощущаем солнечного притяжения — наш вес определяется лишь силой притяжения к Земле).

Отсюда Эйнштейн определяет принцип эквивалентности: можно найти такую систему отсчета, движущуюся с ускорением (например, ракету), в которой не нужно учитывать гравитационное поле — постоянное ускорение не отличимо от однородного поля тяготения. Таким образом, нельзя рассматривать тяготение и инерцию по-отдельности, точнее, как писал Эйнштейн: «Закон эквивалентности тяжелой и инертной масс предстал передо мной во всей своей значительности. Его существование поразило меня, и я почувствовал, что именно здесь должен быть спрятан ключ к более глубокому пониманию инерции и гравитации». (При этом, отметим, приходится отказываться от простых преобразований Лорентца, точнее, нужно усложнять их учетом гравитационных полей, в каждой точке разных.)