Чтение онлайн

Сначала – небольшое лирическое вступление. Результаты, получаемые в экспериментальной физике, обычно стараются проверять и перепроверять. Особенно ценны проверки, получаемые различными, независимыми друг от друга способами. Взять хотя бы скорость света – как только её, бедную, не измеряли! Если независимые результаты худо-бедно сходятся, то это говорит об отсутствии грубых ошибок. Напротив, если в некотором вопросе зацикливаться только на одну экспериментальную методику, то гарантий от грубых ошибок нет. А теперь представьте, что в этой любимой методике грубая ошибка имеется. И что есть другие, независимые методики, которые кричат: «Ошибка! Ошибка!» Что в такой ситуации делать дяденькам, которые упорствуют в своих заблуждениях? Да взгляните на ситуацию вокруг релятивистского роста энергии-импульса – и получите ответ совершенно исчерпывающий!

Где там она, эта любимая методика? А вот она: это отклонение быстро движущихся заряженных частиц магнитным полем. Понимаете, когда Эйнштейн свистнул у Лорентца формулу для релятивистского роста массы, других методик ещё и не было. А Кауфман уже увидел: эффект вроде бы есть! Вот Эйнштейн и подсуетился. А эффект вот какой: чем больше скорость частицы, тем более сильное магнитное воздействие требуется приложить, чтобы свернуть частицу с пути прямого. При большом желании, эти результаты можно истолковать так: по мере увеличения скорости частицы, у неё, вишь ты, масса растёт, отчего увеличиваются её инертные свойства – поэтому магнитному полю становится всё труднее на неё действовать. Вот вам и метод измерения энергии быстро движущейся частицы: чем меньше кривизна её траектории в магнитном поле, тем больше её энергия. Вплоть до бесконечности! Так, как предсказывает СТО!

Заметьте: такое толкование возможно, и в самом деле, только при большом желании. Известен универсальный принцип: воздействие на объект стремится к нулю, если скорость объекта приближается к скорости передачи воздействия. Вот классический пример из механики: ветер разгоняет парусник. Когда скорость парусника сравнивается со скоростью ветра, ветер на него совсем не действует. Даже детям понятно: это получается не оттого, что масса парусника становится бесконечной. Аналогичные вещи происходят и при раскрутке ротора асинхронной машины вращающимся магнитным полем, и при взаимодействии сгустков электронов с замедленной электромагнитной волной в лампе бегущей волны. Лишь для методики магнитного отклонения делается исключение: не сомневайтесь, мол, вот там не что иное, как релятивистский рост! Да как же не сомневаться? Где гарантии, что шкала энергий-импульсов, получаемая по вашей любимой методике, не имеет искажений в области больших скоростей? «Ну, как же! – разъясняют нам. – Смотрим мы на розеточки треков частиц. И видим. Треки эти кривые – из-за магнитного поля. Вот треки до соударения, а вот – после. Суммы релятивистских импульсов до соударения и после него – одинаковы. Сохраняется релятивистский импульс! Значит, он и реален! Всё сходится!» Да… тяжёлый случай. Как будто не ясно, что если вы не выходите за рамки методики, дающей иллюзорные завышения энергий-импульсов, то только с иллюзорно завышенными величинами вы и будете ковыряться. И, даже при чудовищных иллюзорных завышениях, всё оно будет неплохо сходиться!

Уж простите, ничего не остаётся, кроме как задать вопрос в лоб. Вы утверждаете, что чудовищные энергии у тех же электронов – это реальность. Можно ли эту энергию выделить, превратить её в другие формы? Удалось ли кому-нибудь хотя бы раз извлечь из одного электрона, при его взаимодействии с веществом, энергию в несколько ГэВ? Или хотя бы в несколько МэВ? Что-то про такое не слышно!

Вот, например, частицы оставляют треки в камере Вильсона или в пузырьковой камере. При формировании этих треков, превращения энергии, по меркам микромира, огромны – но они происходят не за счёт энергии пролетающих частиц. Дело в том, что здесь регистрирующая среда пребывает в неустойчивом состоянии – это переохлаждённый пар или перегретая жидкость. Ничтожных воздействий достаточно, чтобы инициировать переходы среды в устойчивое агрегатное состояние. Потому и получаются, вдоль траектории частицы, центры конденсации или парообразования. Не зазевайся только, успей их сфотографировать – вот тебе и трек. А частица-то на него свою энергию не тратила. «Мышка бежала, хвостиком махнула – яичко упало и разбилось».

Совсем другое дело – измерения ионизационных потерь энергии частицы! В своё время пользовались популярностью замечательные приборчики: пропорциональные счётчики. Влетев в такой счётчик, частица растрачивает свою кинетическую энергию на ионизацию атомов вещества-наполнителя – принципиально до полной своей остановки. Чем больше энергия частицы, тем больше число ионизированных атомов, и тем больше генерируемый приборчиком импульс тока. Что особенно здорово: энергия в несколько электрон-вольт, требуемая для ионизации одного атома, настолько невелика, что, применительно к ней, говорить о релятивистском «завышении» просто смешно. Поэтому к показаниям пропорциональных счётчиков следовало бы относиться с большим доверием: есть веские основания полагать, что они измеряют энергию частицы честно. И вот как выглядят результаты этих честных измерений. В «нерелятивистской области», пока энергия частиц малая, результаты её измерения пропорциональными счётчиками совпадают с результатами её измерения по методике магнитного отклонения. Но в «релятивистской области» выходит неувязочка: энергия, измеряемая по «магнитной» методике, лезет в релятивистскую бесконечность, а энергия, измеряемая пропорциональными счётчиками, выходит на насыщение и дальше не растёт. Причём, не похоже на то, что счётчики «шалят»: существует много их различных типов и конструкций – и все они показывают одно и то же. А именно: никакого релятивистского роста энергии нет.

Как в такой ситуации поступают настоящие релятивисты? Вопроса о том, кому верить – «магнитной» методике или пропорциональным счётчикам – у них даже не возникает. «Магнитная» методика – непогрешима! И все остальные методики нужно по ней калибровать! Вот, например, как судить об энергии гамма-квантов? А вот как: по энергии вторичных электронов, а саму эту энергию измерять по «магнитной» методике! Аналогично определять пороги ядерных реакций, разности ядерных уровней энергии, а также энергии вторичных ядерных частиц! И даже измерения длин волн гамма-излучения с помощью дифракции на кристалле – ни в коем случае без калибровки по «магнитной» методике не оставлять! Чтобы было единство измерений! Говорите, какие-то там пропорциональные счётчики нарушают это стройное единство? Говорите, их показания выходят в релятивистской области на насыщение? Значит, чушь показывают эти счётчики! Значит, в релятивистской области они не работают! Тут, правда, возникает дурацкий вопрос – а что же им мешает работать в релятивистской области? Вот! Над этим вопросом пришлось попыхтеть изрядно. Дурацкий-то он дурацкий, а в больное место попал. Трудно поверить, но вот чем занимались талантливые учёные: сочиняли вспомогательные теории, призванные объяснить увеличение аппаратурных погрешностей у пропорциональных счётчиков при работе в релятивистской области. Тут, конечно, требовались чудеса изобретательности. Ведь до чего подло увеличивались эти аппаратурные погрешности – точно компенсируя релятивистский рост энергии, как будто этого роста и нет вовсе! Поди-ка разбери все эти подлости! Да ещё у счётчиков разных конструкций и подлости разные! Тут одной теорией, пригодной для всех, не обойдёшься! Ну, ничего, ничего. Талантливо грязно выругались, посопели, побрюзжали, а все необходимые теории понаписали. Сразу легче стало.

Думаете, этим всё и закончилось? Ах, если бы!.. Была ведь ещё одна методика измерения тормозных потерь – в фотоэмульсиях. Здесь частица тоже теряет энергию на ионизацию атомов, причём каждый получившийся ион формирует фотографическое зёрнышко. И эти зёрнышки различимы под микроскопом! Значит, число ионизаций, произведённых частицей, можно пересчитать! А затем умножить это число на энергию одной ионизации – вот и получится исходная энергия частицы! Да уж… на словах-то всё просто. А на деле получались такие же подлости, как и в пропорциональных счётчиках. В «нерелятивистской области» число зёрнышек, умноженное на энергию одной ионизации, великолепно соответствовало результатам «магнитной» методики. А в «релятивистской области» число зёрнышек выходило на постоянную величину и дальше не росло. И, опять же, использовались различные составы фотоэмульсий. И, опять же, все они говорили одно и то же. А именно: если подходить к вопросу незамутнённым методом пристального вглядывания, то никакого релятивистского роста энергии не видать.

И опять пришлось релятивистам отдуваться – гипотезы выдвигать. Насчёт того, что быстрая частица теряет энергию в фотоэмульсиях не только на ионизацию, но и на другие фокусы, которые незаметны без специальной подготовки. И что эти фокусы в точности «съедают» ожидаемый релятивистский рост энергии. Мол, таковы законы природы, ничего не поделаешь. Если б не они, то релятивистский рост был бы как на блюдечке!

Вообще, странная складывалась ситуация. Целым толпам экспериментаторов было по-человечески обидно. Хорошо было тем, которые носились с «магнитной» методикой, как с писаной торбой, да всем в нос тыкали – насчёт того, что релятивистский рост должен быть везде. А каково было остальным, которые работали с другими методиками? Они и рады были бы внести свой скромный вкладец в мировую науку – подтвердить наличие релятивистского роста. Да не тут-то было! Обязательно вылезали какие-нибудь «законы природы», которые всё портили. Ну, разве это жизнь? А всех тоскливее было тем, кто занимался измерениями импульса отдачи у атома, из ядра которого выстреливался релятивистский электрон при бета-распаде. Здесь устраивалась как бы «очная ставка» двум методикам: импульс отдачи атома измерялся по «немагнитной» методике, а импульс выстреливаемого электрона – по «магнитной», во всей своей красе. И вот, закон сохранения импульса нарушался: импульс электрона получался чудовищно больше, чем импульс отдачи атома. Теперь, внимание: не потеряйте нить рассуждений. Импульс электрона измерялся по непогрешимой «магнитной» методике – значит, правильно измерялся именно он. Следовательно, импульс отдачи у атома оказывался чудовищно меньше, чем требовалось по закону сохранения импульса. Куда же тогда пропадала эта недостающая часть? Пялились исследователи на фотопластинки, вертели ими так и сяк… Можно было поступить совсем просто: отбросить иллюзорные релятивистские завышения импульсов у электронов, и тогда их результирующие импульсы становились бы равными импульсам отдачи! Но – что вы! это было бы святотатство! Уж лучше было сидеть и страдать молча… Ферми смотрел-смотрел на эти страдания, и его доброе сердце дрогнуло. «Ладно, - подмигнул он, - вы только не плачьте! Вот что мы сделаем: введём новую частицу. И припишем ей всё, что требуется. Вам нужен импульс? – у ней он есть!» - «Как?! – просияли от радости экспериментаторы. – Так просто? Впрочем, погодите-погодите. Мы же такую возможность исследовали. Никаких следов третьей частицы при бета-распаде не обнаруживается!» - «Ну, и что такого? Если следов не обнаруживается, значит, эта частица их не оставляет! Я же говорю – припишем всё, что требуется!» - «Да, но… странно как-то. Трудно поверить! Частица… импульс имеет… и – никаких следов… Как же её поймать?» - «А зачем обязательно – поймать? Сам по себе процесс ловли – разве он удовольствия не доставляет? Так ловите, до скончания века, и наслаждайтесь! На зависть окружающим!» - «А, ведь, действительно! Позвольте полюбопытствовать, а как предлагается назвать эту неуловимую прелесть?» - «Да придумаем хохмочку какую-нибудь… Вот: назовём эту прелесть нейтрончиком!»

Слово «нейтрончик» на родном итальянском языке Ферми звучит как «нейтрино». Ну, так и повелось… А карьеру эта «неуловимая прелесть» сделала на редкость головокружительную. Шутка ли: её быстренько перевели в разряд фундаментальных частиц – которых всего-то, считается, четыре. Из грязи – да в князи! В физике появился новый раздел – «Физика нейтрино». Понастроили грандиозных «детекторов». Думаете, эти детекторы реагируют на нейтрино? Ну, что вы! Они реагируют на продукты реакций, которые, как полагают теоретики, может инициировать только нейтрино – одно на триллион, да и то в урожайный год. С этими «детекторами» получается как с заборами, которые строят известным методом: пишут неприличное слово из трёх букв и прибивают к нему доски. Вот на чём держится закон сохранения релятивистского импульса!

Все эти истории – с пропорциональными счётчиками, с фотоэмульсиями, с выдуманным нейтрино – очень поучительны. Они наглядно показывают, что «любое высказывание может во что бы то ни стало сохранять свою истинность, если сделать достаточно радикальную перестройку в каком-то ином месте системы». Но даже такой приёмчик, применительно к релятивистскому росту энергии-импульса, не всегда срабатывает. Потому что иногда на опыте творится такая хренотень, что непонятно – в каком же месте системы делать радикальную перестройку. Вот, например, известно немало реакций ядерных превращений с очень низким энергетическим порогом – всего в 2-3 МэВ. Это значит: шваркни по исходному ядру чем угодно – лишь бы энергия возбуждения ядра оказалась не меньше, чем пороговая – и реакция произойдёт. Иметь энергию в 2-3 МэВ не возбраняется ни гамма-кванту, ни протону, ни нейтрону: если шваркнуть по ядру кем-нибудь из них, то реакция происходит. А вот электрону, похоже, иметь такую энергию возбраняется. Шваркали уже, до посинения – и убедились в том, что электроны ядерных превращений не инициируют. И возникает вопрос: а почему, собственно? Если, как нас уверяют, у электронов бывают энергии, исчисляемые ГэВами, то что мешает электронам инициировать ядерные превращения? Это же дикость какая-то: вылететь из ядра электрон может (при бета-распаде), а шмякнуть по ядру – не может! Что об этом говорит физика высоких энергий? А она об этом умалчивает. По её понятиям, электрон – это объект несерьёзный. Подумаешь, мол, ГэВы имеет. Всё равно – мелочь пузатая. Вот протон – это другое дело. Высокие энергии, дорогие товарищи, оказалось гораздо практичнее измерять не по электронной, а по протонной шкале. Тут уже не до единства измерений – быть бы живу! Ибо, скажем, 3 МэВа у протона – это полноценные 3 МэВа. А 3 МэВа у электрона – это так себе, одно название.

А почему так? А потому что не бывает у электрона энергии в несколько МэВ. Помните, мы говорили, что его максимальная кинетическая энергия – это треть его энергии покоя, т.е. всего-то 170 кэВ? Вы ещё хохотали по этому поводу – вспомнили? Ну, вот! Маловато получается? А откуда же взяться больше? – если электрону приходится обходиться только своими запасами? Таковы программные предписания: всё, что тебе положено, дружок, ты уже получил. Вот и крутись, как хочешь. Чтобы двигаться быстрее – замедляй собственные трепыхания! Причём, это замедление собственных трепыханий скажется и на энергии связи электрона, если он входит в состав атома. Помните, мы говорили, что энергии связи составляют фиксированное число процентов от собственной энергии частицы? А это значит, что при увеличении истинной-однозначной скорости атома, будут всё больше сдвигаться его уровни энергии. В этом-то и заключается причина квадратично-допплеровских эффектов. И здесь – убийственное свидетельство о том, что, в отличие от относительных скоростей, истинные-однозначные скорости не являются чистой формальностью. Вещество-то несёт в себе чёткий признак движения с истинной-однозначной скоростью: у свободных частиц соответственно уменьшены их собственные энергии, а у связанных частиц имеются ещё и соответствующие квадратично-допплеровские сдвиги уровней энергии! В полном согласии с опытом! И со здравым смыслом!