Часть 2. В поисках дисперсии света

Вступление

В первой статье я собрал историю экспериментов по определению скорости света. Во второй сфокусируюсь на экспериментах, подтверждающих так называемый второй постулат Эйнштейна. Имеет смысл коротко напомнить содержание предыдущей серии.

Основные даты, имеющие отношение к определению скорости света приведены ниже.

• 1700 – 1926 основные измерения скорости видимого света

• 1864 – Максвелл описывает электромагнитные волны

• 1887 – Неудачная попытка обнаружения «светоносного эфира» — гипотетической среды, в которой, как считалось тогда, распространяются световые волны. (Альберт Майкельсон и Эдвард Морли)

• 1888 – 1945 измерения скорости радиоволн

• 1905 –Эйнштейн сформулировал свой знаменитый постулат о постоянстве скорости света

• 1945 – 1958 измерения скорости СВЧ

• 1970 – измерения скорости Инфракрасных лазеров

• 1975 – фиксация скорости света 299 792 458 м/с

Где-то в середине эпопеи по определению точной скорости света, а именно, 30.06.1905 года Альберт Эйнштейн публикует работу под названием «К ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ ДВИЖУЩИХСЯ ТЕЛ».

1. Что придумал Эйнштейн

Я предпочитаю первоисточники, поэтому, привожу ниже точную цитату из этой работы в переводе на русский:

«Примеры подобного рода, как и неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды», ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя и даже, более того,— к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Это предположение (содержание которого в дальнейшем будет называться «принципом относительности») мы намерены превратить в предпосылку и сделать, кроме того, добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно, что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью V, не зависящей от состояния движения излучающего тела. Эти две предпосылки достаточны для того, чтобы, положив в основу теорию Максвелла для покоящихся тел, построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся тел»

Со временем, «добавочное допущение» преобразовалось в более монументальное «второй постулат Эйнштейна».

Невозможно догадаться, каким именно, шестым, или седьмым чувством, Эйнштейн сообразил, что скорость света – особенная величина, превысить которую невозможно. Но абсолютно точно известно, что в 1905м году не было никаких экспериментальных предпосылок такому утверждению.

• Было экспериментально обосновано отсутствие светоносного эфира? Да.

• Было обнаружено, что скорость света земного источника не зависит от вращения Земли вокруг своей оси и по орбите вокруг Солнца? Да.

• Были ли какие-либо экспериментальные данные о том, что скорость света одинакова и независима от скорости любых движущихся источников? Нет!

Но Эйнштейн не просто осознал и сформулировал эту идею, но и сделал на основе нее невероятныq вывод! Исходя из того, что скорость света одинакова и независима от движущихся источников, чисто математически, он показал, что скорость света невозможно превзойти. Такой мощный вывод оказал огромное влияние на дальнейшее развитие событий.

Еще более интенсивно пошли эксперименты по определению скорости света, т.к. речь уже шла не просто про какую-то очередную скорость, а про фундаментальную константу = инвариантную скорость света.

В этом месте уместно сделать небольшую ремарку. В «К ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ ДВИЖУЩИХСЯ ТЕЛ» Эйнштейн формулирует свой постулат про «Свет», а математические формулы выводит без света, номинально исходя из принципа «равной скорости вне зависимости от движения». То есть «Свет» выступает лишь как прообраз инвариантной скорости, и никак не участвует в выводе о фундаментальной константе.

Ну то есть, имеем одно утверждение, что существует предельная скорость распространения, и другое утверждение, что свет распространяется ровно с этой предельной скоростью.

И вот если с утверждением о существовании предельной скорости постепенно все согласились, то утверждение о том, что свет распространяется именно с этой предельной скоростью с, повлекло за собой целую череду проверок и экспериментов.

Этот второй момент имеет огромнейшее фундаментальное значение, и на нем много чего надстроено.

2. Поиски дисперсии света

Утверждение о том, что реальная скорость распространения света равна именно значению с можно опровергнуть, если показать, что скорости распространения волн разных частот различаются. Такая идея лежит в основе большинства экспериментов.

В затменно-двойной системе две звезды вращаются вокруг общего центра масс. Периодически одна звезда закрывает (затмевает) другую относительно земного наблюдателя, из-за чего общая яркость системы резко падает. Момент максимального падения яркости называется минимумом блеска. С учетом расстояния до земли, в случае разной скорости распространения составляющих спектра свечения, возможно обнаружить дисперсию света.

2.1 Исследования Тихова и Нордмана

Опыты российского астронома Гавриила Тихова и французского ученого Шарля Нордмана, проведенные независимо друг от друга в 1907–1908 годах, стали первой в истории серьезной попыткой обнаружить дисперсию скорости света в космическом вакууме по наблюдениям за звездами. Ученые искали разницу в скорости распространения волн разной длины (разных цветов), наблюдая за затменно-двойными звездами.

Идея была одинаковой: зафиксировать точное время наступления минимума блеска (максимальной фазы затмения одной звезды другой) в разных спектральных диапазонах и на основании этого, обнаружить дисперсию. Поскольку такие звезды находятся на огромных расстояниях от Земли (сотни и тысячи световых лет), даже ничтожная разница в скорости пучков накопилась бы в измеримую задержку (секунды или минуты).

Самое интересное, что оба исследователя получили ошеломляющий для своего времени результат: момент минимума блеска в синих и ультрафиолетовых лучах наступал позже, чем в красных.

• Для звезды Алголь (расстояние ~90 световых лет) задержка синих лучей составила около 16–20 минут.

• Для звезды Тельца (расстояние ~480 световых лет) задержка оказалась еще больше — около 40–60 минут.

Однако, в течение следующих нескольких лет астрономы, включая самого Тихова, выяснили, что эффект реален, но к скорости света в вакууме он не имеет никакого отношения. Задержка была вызвана сложной физикой самих звездных систем. А именно, структурой газовых оболочек, приливными искажениями и эффектом гравитационного потемнения к краю.

2.2 Эксперимент Харлоу Шепли

Одним из тех, кто разобрал ошибки измерений Тихова и Нордмана, был Харлоу Шепли.

В 1912-1913 годах Шерли собрал значительный объем данных – порядка 10 000 фотометрических измерений для почти сотни затменно-двойных звезд. Затем он рассчитал степень влияния на измерения физических параметров звезд. В итоге, с учетом поправок, оказалось, что у звезд в далеких скоплениях моменты минимумов блеска в синих и красных фильтрах наступают абсолютно одновременно. Шерли рассчитал точность своих наблюдений и расчетов и показал, что относительное отклонение скорости света ∆с/с, если и существует, то не превышает 10^(-9).

2.3 Зденек Копал и Александр Высотский (1930–1940-е годы)

С развитием фотоэлектрических фотометров (приборов, где свет преобразуется в электрический ток с помощью вакуумных элементов) точность фиксации минимумов блеска звезд выросла в разы.

Чешский астроном Зденек Копал создал строгие математические модели анализа кривых блеска двойных систем с учетом их взаимного искажения. Вместе с американскими исследователями он использовали новые кремниевые и сурьмяно-цезиевые фотоэлементы. Это позволило измерять моменты затмений звезд с точностью до секунд и довести ограничение дисперсии вакуума до уровня 10^(-10) .

2.4 Джеральд Крон и Эвири Шатцман (1950–1960-е годы)

Джеральд Крон (Ликская обсерватория, США) стал пионером применения фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) в астрономии. ФЭУ позволили регистрировать буквально отдельные фотоны от затменных звезд в строго разделенных спектральных полосах (система UBV: ультрафиолетовый, синий, визуальный).

Крон и французский астрофизик Эвири Шатцман провели высокоточные замеры моментов минимумов сотен двойных систем. Они доказали, что разница во времени прихода синих и желтых лучей на масштабах сотен световых лет отсутствует в пределах 0,01–0,05 секунды. Это подняло точность оценки дисперсии до 10^(-12).

2.5 Эдуард Трифонов и современные обсерватории (конец XX — XXI век)

С появлением ПЗС-матриц (CCD) и космических телескопов (таких как Hubble, Gaia и наземных роботизированных систем вроде Kepler) метод затменных звезд достиг своего технологического предела. Современные автоматизированные устройства непрерывно следят за тысячами затменных систем.

Точность определения центра затмения в разных фильтрах сегодня составляет доли миллисекунды. На расстояниях в тысячи световых лет это гарантирует отсутствие оптической дисперсии вакуума с точностью до 10^(-14).

2.6 Исследования группы Fermi

Исследования с помощью космического телескопа Fermi (проект NASA при участии ученых из США, и других стран), перевели поиск дисперсии света на абсолютно новый уровень. 10 мая 2009 года, приборы зафиксировали GRB 090510 — короткий и мощный гамма-всплеск в галактике на расстоянии 7,3 миллиарда световых лет от Земли.

Два инструмента Fermi отработали в направлении вспышки:

• GBM (Gamma-ray Burst Monitor): улавливал фотоны низких энергий (килоэлектронвольты, кэВ).

• LAT (Large Area Telescope): фиксировал фотоны экстремальных энергий (гигаэлектронвольты, ГэВ)

Источник выбросил одновременно колоссальный пучок низкоэнергетических и высокоэнергетических фотонов. Они летели сквозь вакуум бок о бок более 7 миллиардов лет.  Среди них был один «экстремальный» фотон с энергией 31 ГэВ (его энергия была примерно в миллион раз выше, чем у соседних фотонов низкого диапазона). Этот высокоэнергетический фотон прибыл на детекторы LAT всего через 0,829 секунды после начала основной вспышки низкоэнергетических частиц

Ученые группы Fermi провели строгие математические расчеты. Даже если предположить, что вся задержка в 0,8 секунды была вызвана исключительно дисперсией вакуума (хотя физически фотон мог просто вылететь со звезды чуть позже), точность проверки оказалась феноменальной: 10^(-18).

3. Итоги

По какой-то интересной фундаментальной причине вплоть по настоящее время продолжаются эксперименты по проверки теории Эйнштейна в части его постулата о постоянстве скорости света. В принципе, ничего удивительного в этом нет, т.к. теория должна подтверждаться практикой. Для понимания устройства фотона крайне важно понимать, движется ли он на скорости с, или на 10^(-100) меньше. В первом случае, масса фотона определенно равна нулю, а во втором случае у фотона есть масса.

И для поиска этой массы в настоящее время остается небольшая щель примерно в 10^(-18).