§21. УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Одним из аргументов сторонников теории относительности является факт работы ускорителей заряженных частиц. Употребляется выражение, что "теория относительности - это сегодня уже инженерная наука".

В 1990 году тогдашний член-корреспондент АН СССР, замдиректора Государственного оптического института Е.Александров писал: "В физике высоких энергий, где все скорости близки к световым, ни один расчет немыслим без специальной теории относительности (СТО), и в любом номере журнала по ядерной физике можно найти десятки фактов, которые доказывают справедливость СТО. Полувековая практика строительства ускорителей использует формулы СТО в качестве такой же будничной основы конструирования, какой в мостостроении служит теория сопротивления материалов. При этом точность предсказаний СТО удовлетворяет жесточайшм требованиям практики: например, при определении радиуса многокилометровой орбиты ускорителя допускается ошибка не более миллиметра. Словом, в освоенной област энергий выводу СТО - непреложная истина, установленная окончательно.... Сегодня коллайдер с энергией 10 ГэВ разгоняет электрон до скорости, отличающейся от световой на одну миллардную, и при таких условиях правильность именно СТО подтверждена неоспоримо - энергия электрона, рассчитанная по СТО, в 10 тысяч раз отличается [от альтернативных теорий, пытающихся объяснить зависимость массы от скорости]" ("Наука и жизнь, №12, 1990 год)

Однако можно ли считать практику работы ускорителей элементарных частиц подтверждением теории относительности? Давайте посмотрим, что конкретно подтверждается в практике работы ускорителей. Подтверждается в первую очередь известная из теории относительности формула зависимости массы от скорости, а также формула взаимосвязи массы и энергии. Кроме того, как следует из вышеприведенной цитаты, справедливыми являются используемые формулы теории относительности при расчете линейных масштабов.

Однако то объяснение, которое предлагает теория относительности - что будто бы при ускорении элементарных частиц до околосветовых скоростей в действительности происходит сокращение времени и линейных размеров - это лишь одно из объяснений. Возможны и другие два объяснения, не основанные на теории относительности. Вот эти варианты:

Вариант №1. Как было объяснено в §10, наблюдаемая "зависимость массы от скорости" - это проявление того очевидного явления, что нельзя ускорить частицу до скорости, превышающей или хотя бы равной скорости ускоряющего взаимодействия. Когда электромагнитная волна сообщает частице энергию, вроде бы и достаточную для преодоления светового барьера, тем не менее по описанной причине скорость частицы лишь приближается к скорости света, но не может ее преодолеть, а "избыток" энергии согласно формуле Томсона E=mc² переходит в увеличение массы. А кажущееся соответсвие линейных размеров траекторий тем, которое было рассчитано по теории относительности объясняется тем, что скорость распространения электромагнитного взаимодействия конечна, и по мере приближения к этой скорости его влияние уменьшается. А достижение в ускорителях скорости частиц, равной скорости света, невозможно, потому что если частица достигнет световой скорости, то скорость квантов электромагнитного поля (фотонов) относительно частиц будет равна нулю. А, как известно, если фотон остановить, то он исчезает.

При расчете ускорителей можно применить один интересный математический прием. Вместо скорости v можно использовать скоростной коэффициент u, связанный со скоростью следующим образом:

u² = 2c²(γ-1) = 2c²(1/√(1- v²/c²) - 1)

Если скорость частицы намного меньше скорости света, то тогда разницы между скоростью и скоростным коэффициентом нет. А если скорость близка к скорости света, то тогда кинетическая энергия выражается через скоростной коэффициент как E=mu²/2, то есть точно так же, как и для кинетической энергии в случае скоростей, много меньшей световой. При этом скорости, равной скорости света, соответствует скоростной коэффициент, равный бесконечности. Поэтому если вместо скорости оперировать скоростным коэффициентом, то можно без проблем использовать нерелятивистские формулы. Например, при скорости, равной 0,745 скорости света, скоростной коэффициент оказывается равным скорости света.

Вариант №2, упоминаемый в литературе, заключается как раз в том, что этот скоростной коэффициент u - это и есть реальная скорость частицы, то есть на самом деле в ускорителях достигаются сверхсветовые скорости. А величина v в формуле для скоростного коэффициента, это лишь наблюдаемая скорость, которая не может превысить скорости света, но которая не совпадает с реальной скоростью.

Итак, возможны два варианта, объясняющих поведение частиц в ускорителях без всякой связи с теорией относительности. Один из этих вариантов основан на том, что скорости частиц в ускорителях не превышают скорости света, а другой вариант утверждает, что частицы могут ускоряться и до сверхсветовых скоростей. Поскольку оба эти варианта объясняют процессы в ускорителях, то оба они имеют право на существование. Какой из них правильный?

Решить вопрос может эксперимент. Схема его проста: выпустить пучок заряженных частиц, ускоренных до релятивистской скорости, и зафиксировать время, за которое он долетит до мишени. Сложность в том, что невозможно поставить такой эксперимент в земных условиях: даже если найдутся экспериментальные возможности измерить чрезвычайно малые инервалы времени, то все равно это будет измерено не реальное, а наблюдаемое время. Эксперимент может быть поставлен, например, таким образом: разместить на Марсе детектор и направить в его сторону пучок релятивистских частиц с Земли. После того, как пучок частиц попадет на детектор, то детектор посылает соответствующий радиосигнал на Землю, и этот радиосигнал, естественно, движется на Землю со скоростью света. Разница во времени между отправлением потока частиц и получением сигнала от детектора измеряется минутами и легко фиксируется. Пусть L - расстояние между Землей и Марсом, а γ - лоренцев множитель потока частиц: γ =1/√(1- v²/c²). Тогда в зависимости от того, какая теория правильна, возможны три варианта развития событий:

1. Разница во времени между отправлением потока частиц и получением сигнала от детектора будет примерно равна 2L/c - это будет означать, что частицы движутся со скоростью, меньшей скоростью света (точнее, почти со скоростью света), но при этом никаких релятивистских эффектов в действительности не происходит.

2. Разница во времени между отправлением потока частиц и получением сигнала от детектора составит больше 2L/c, конкретнее, (L/c)(1+γ) - это будет означать, что правильна теория относительности: частицы движутся со скоростью, меньше скорости света, и при этом происходит релятивистское замедление времени в соответствии с преобразованиями Лоренца

3. Разница во времени между отправлением потока частиц и получением сигнала от детектора будет меньше 2L/c, конкретнее, (L/c)(1+1/2(γ-1)) - это будет означать, что частицы движутся со сверхсветовой скоростью.

Спрашивается, как же доставить на Марс соответствующий детектор? В качестве такого детектора вполне могут выступить ныне находящиеся на Марсе американские марсоходы (если к моменту постановки опыта марсоходы уже прекратят работать, то вместо них можно использовать какой-нибудь другой межпланетный аппарат). Мощный поток частиц, попав в марсоход, выведет его из строя, и момент прекращения сигнала от марсохода в центре управления полетами будет соответствовать моменту получения сигнала от детектора. Выводить марсоходы из строя не жалко - всё равно они работают с превышением отведенных им сроков эксплуатации. Впрочем, возможен вариант консруктивного решения вопроса с НАСА - когда марсоходы не уничтожаются, а просто фиксируют полученное ими воздействие. Для того, чтобы земная атмосфера не мешала потоку частиц, экспериментальную установку надо вынести в космос, а для более точного наведения необходмо сопроводить установку специальным телескопом. Таким образом, помимо проверки теории относительности, данный эксперимент решит еще ряд научных задач: у нас появится свой орбитальный телескоп (ответ американскому "Хабблу" и аналогичному европейскому проекту); кроме того, после испускания потока частиц аппарат получит реактивный импульс, и исследование этого реактивного эффекта поможет в конструировании электрореактивных и электронно-импульсных двигательных установок, а также продемонстрирует возможность т.н. "пучкового оружия", о принципиальной возможности которого писали СМИ. Очевидно, однако, что для осуществления такого эксперимента необходимо политическое решение.

Сторонники теории относительности могут возразить: а, может быть, в таком эксперименте мы узнаем только скорость электронов в лабораторной системе отсчета, а в их собственной системе время их движения может быть и меньше (отметим, однако, что в такой трактовке получается, что теория относительности допускает сверхсветовые скорости). Действительно, во всех рассказах про теорию относительности, описывающих изменение хода времени и "парадокс близнецов", нет ясности в ответе на вопрос: а если один наблюдатель движется с околосветовой скоростью, а другой - остается на местие, то у кого из них время будет идти с "нормальной" скоростью, а для кого будет меняться?

Для ответа на этот вопрос можно провести и усложненный эксперимент с нестабильными частицами (например, теми же мюонами, о которых пойдет речь ниже, а детектор пусть замерит их концентрацию - зная, сколько из частиц распалось, можно будет знать и время полета. Однако данное предложение вряд ли будет эффективно, поскольку время движения потока частиц к Марсу (исчисляемое минутами) на много порядков превышает время жизни даже самых устойчивых из нестабильных заряженных частиц. Поэтому предлагается использовать то обстоятельство, что поток электронов будет не строго параллельный, а слегка расходящийся.

То есть, если релятивистское сокращение длины действительно происходит, то рассеяние электронов будет меньше, а их энергия у Марса – больше. Если принять за W₁ – плотность энергии пучка электронов, достаточную для того, чтобы аппарат был разрушен, W₂ – плотность энергии пучка электронов, необходимую для того, чтобы аппарат их зафиксировал и это сказалось бы на его параметрах, E₁ – плотность энергии пучка электронов исходя из предположения, что лоренцево сокращение не происходит, а E₂ - плотность энергии пучка электронов исходя из предположения, что лоренцево сокращение происходит (как можно видеть, эти величины связаны между собой соотношением  E₂ = E₁/(1-β²)), то подобрать величину E1 следует таким образом, чтобы выполнялось соотношение:

W₁ < E₁ < W₂ < E₂,

Или

 W₁ < E₁ < W₂ < E₁/(1-β²)

величина E₁ определяется как E₀/(πL²α²), где E₀ – исходная энергия (не плотность энергии!) пучка электронов, L – расстояние до Марса (или до аппарата), α – угол рассеяния электронов.

В продолжение темы:
предложения по ещё одному эксперименту о проверке теории относительности
прецедент - опыты по уничтожению космических аппаратов на удалённом расстоянии в оборонных целях