[вернуться к содержанию сайта]
Угловое распределение излучения, испускаемого релятивистскими электронами в синхротроне, было теоретически рассчитано Швингером на основе специальной теории относительности и подтверждено экспериментально.
Показано, что эти результаты противоречат результатам, предсказанным по эмиссионной теории Ритца. Таким образом, синхротронное излучение можно рассматривать как дополнительное косвенное подтверждение второго постулата Эйнштейна о скорости света.
Эйнштейн развил специальную теорию относительности из двух постулатов в его статье 1905 г.1 Постулат I отверг ньютоновское абсолютное пространство и утверждал эквивалентность всех равномерно движущихся систем отсчёта. Эйнштейновская формулировка2 Постулата I такова:
Законы, в соответствии с которыми меняются состояния физических систем, не подвержены влиянию, независимо от того, относятся ли эти изменения к той или другой из двух систем отсчёта с равномерным поступательным движением.
Постулат I, часто называемый принципом относительности, сам по себе недостаточен, чтобы вывести специальную теорию относительности. В дополнение необходимо второе предположение для получения преобразований Лоренца. Сам Эйнштейн брал в качестве своего второго предположения постоянство скорости света в вакууме, независимой от скорости источника или наблюдателя. Этот Постулат II2 он формулировал как
Любой луч света движется в "неподвижной" системе отсчёта с определённой скоростью c, независимо от того, испущен ли луч неподвижным или движущимся телом.
Следует отметить, что можно вывести преобразования Лоренца, заменив второй постулат Эйнштейна правилом взаимности для относительного движения двух инерциальных систем отсчёта. Это обсуждалось Паули3 и недавно более подробно – Берзи и Горини.4 Берзи и Горини дают наиболее полный список ссылок для этих альтернативных течений.
Хотя большинство физиков принимает эти постулаты, всегда существовали их противники. Оппозиция делится в основном на два лагеря. Первый из них поддерживает классическую теорию эфира и весьма малочисленен. Вторая группа восходит к Ритцу5 и приводит доводы в пользу эмиссионной теории света. Они несколько более многочисленны и подняли ряд вопросов в отношении Постулата II, которые нельзя игнорировать. Цель этой статьи – показать, что синхротронное излучение представляет сильное экспериментальное свидетельство против эмиссионных теорий.
Фокс6 довольно подробно обсудил теорию Ритца, так же как и свидетельства против неё. В своей основе теория Ритца утверждает, что каждый электрический заряд испускает во всех направлениях световые частицы со скоростью c. Если заряд движется со скоростью v относительно наблюдателя, то световая частица движется со скоростью c+v относительно этого наблюдателя. Имеется дополнительное утверждение, которое, однако, делает теорию чрезвычайно трудной для опровержения. Если световая частица затем взаимодействует с каким-либо неподвижным предметом (линза, зеркало или центр рассеяния в виде атома), то сторонники Ритца утверждают, что световая частица переизлучается со скоростью c. То есть, они доказывают, что внеземные эксперименты типа экспериментов с двойными звёздами, которые затрагивают свет, распространяющийся сквозь звёздные атмосферы, межпланетное пространство и атмосферу Земли, дают неубедительные результаты. Эти моменты подробно обсуждались Фоксом6, Бекманом и Мэндиксом.7,8
Существует другой класс экспериментов, не обсуждавшихся Фоксом или Бекманом и Мэндиксом, который нельзя критиковать в этом ключе, и который, я уверен, нельзя объяснить эмиссионной теорией. Это эксперименты, касающиеся излучения, идущего из синхротронов. Синхротрон – это высоковакуумный прибор, в котором электроны движутся со скоростью очень-очень близкой к скорости света. Характеристики синхротронного излучения были рассчитаны теоретически Швингером9 на базе специальной теории относительности и были подтверждены многочисленными экспериментаторами.10–12
Свойство, которое непосредственно противоречит эмиссионной теории,– это угловое распределение испускаемого излучения. Как рассчитано Швингером, излучение должно испускаться в пределах конуса с половинным углом менее чем 10–2 рад для электронов с энергией 180 МэВ. Это было подтверждено экспериментально для видимого света11 и для света в дальнем [вакуумном] ультрафиолетовом излучении.13,14 Это последнее подтверждение наиболее важно, поскольку излучение дальнего ультрафиолета легко поглощается. Поэтому весь эксперимент должен проводиться в высоком вакууме в отсутствии линз или окон. В итоге, обнаруженное излучение – это "первичное" излучение в смысле эмиссионной теории, а не "вторичный" переизлучённый свет.
Далее, теория Ритца предсказывает, что излучение испускается изотропно со скоростью с относительно движущегося заряда. Мы должны определить угловое распределение излучения, испускаемого по теории Ритца. Так как синхротронные электроны обладают скоростью, практически равной c, векторное добавление ограничило бы излучение передним полушарием. Относительно заряда скорость света была бы
c=(cx2+cy2+cz2)1/2. (1)
Если скорость заряда равна c в x-направлении, то скорость света в лабораторной системе отсчёта будет
c=[(cx+c)2+cy2+cz2]1/2. (2)
Поскольку абсолютная величина сх никогда не может превысить c, то это запрещает испускание в отрицательном x-направлении с точки зрения лабораторного наблюдателя.
Даже если распределение скоростей не будет однородным по передней полусфере, угловое распределение возникнет. Перехватывая весь свет, можно было бы измерить однородное угловое распределение. Это находится в прямом противоречии с экспериментальным свидетельством и с теорией Швингера.
В интерпретации измерений углового распределения следует рассмотреть тот факт, что остаточное давление в синхротроне составляет от 10–5 до 10–6 Торр. Это поднимает вопрос о влиянии этого остаточного газа на угловое распределение. Этот газ находится в полном тепловом равновесии со стенками,– факт, который подразумевает изотропное максвелловское распределение скоростей газовых молекул. Поскольку, в соответствии с теорией Ритца, любой рассеватель считается переизлучающим изотропно, эффект должен был бы снова распределить излучение по бóльшему телесному углу, чем предсказан Швингером.
В целом мы делаем вывод, что измеренное угловое распределение синхротронного излучения опровергает эмиссионную теорию Ритца. Эксперимент свободен от критики более ранних работ, демонстрирующих обоснованность Постулата II, поскольку он выполнен в высоком вакууме без промежуточных оптических структур. Но всё ещё было бы весьма желательно найти прямое экспериментальное доказательство Постулата II. Экспериментом, который обеспечил бы такое доказательство, было бы измерение скорости света от синхротронного источника. Я хочу поблагодарить анонимного рефери за то, что он ознакомил меня со статьями Берзи и Горини и с тем фактом, что второй постулат не обязателен для получения преобразований Лоренца.
H. A. Lorentz, A. Einstein, H. Minkowski, and H. Weyl, The Principle of Relativity (Dover, New York, 1958), pp. 35-65. Ссылка 1, стр. 41. W. Pauli, Theory of Relativity (Pergamon, London, 1958), Sec. 4, pp. 9-11. V. Berzi and V. Gorini, J. Math. Phys. 10, 1518 (1969). W. Ritz, Ann. Chim. Phys. 13, 145 (1908). J. G. Fox, Amer. J. Phys. 33, 1 (1965). P. Beckmann and P. Mandics, Radio Sci. J. Res. NBS/USNC-URSI 68D, 1265 (1964). P. Beckmann and P. Mandics, Radio Sci. J. Res. NBS/USNC-URSI 69D, 623 (1965). J. Schwinger, Phys. Rev. 75, 1912 (1949). D. H. Tomboulian and P. L. Hartman, Phys. Rev. 102, 1423 (1956). K. Codling and R. P. Madden, J. Appl. Phys. 36, 380 (1965). R. Haensel and C. Kunz, Z. Angew. Phys. 23, 276 (1967). G. Bathow, E. Freytag, and R. Haensel, J. Appl. Phys. 37, 3449 (1966). R. Haensel, Dissertation, Universität Hamburg (1966)Дата установки: 02.06.12
[вернуться к содержанию сайта]
