[вернуться к содержанию сайта]
В отличие от классической физики, где нет ограничений на максимальную скорость V объектов, специальная теория относительности (СТО) устанавливает фундаментальный предел c = 3·108 м/с – скорость света в вакууме. Несмотря на вековую историю проверок других следствий СТО, верхняя граница скорости не установлена надёжно. Прямые измерения скорости времяпролётным методом (TOF-детекторами), производят, как правило, для ионов, вдали от светового барьера – при импульсе p < 1 ГэВ/c на нуклон, когда классическое V = p/m < c. Для ультрарелятивистских частиц прямых замеров TOF-камерами не производят. А в редких опытах, интерпретируемых как подтверждение порога c, выявлены сверхсветовые скорости.
Одним из первых опытов такого рода стал опыт Бертоцци [1]. При росте энергии W электронов от 0,5 до 15 МэВ их скорость, измеренная на пролётной базе L = 8,4 м по времени пролёта T, менялась от 2,6·108 до 3,0·108 м/с, не превышая c. Фактически измерялась лишь средняя скорость V = L/T сгустка электронов в линейном ускорителе. Поскольку на длине L ускорителя скорость нарастала от значения V1 до V2, и при W = 15 МэВ скорость электронов на входе в ускоритель V1 << c, то на выходе скорость V2 > V = c. Тем самым опыт Бертоцци впервые подтвердил сверхсветовую скорость релятивистских электронов. Условие синхронизма частиц и поля выполнялось в [1], поскольку в ускорительном волноводе, кроме основной моды Vф ≈ c, возбуждались также моды TM-волн с фазовой скоростью Vф = V > c.
Из современных опытов известен эксперимент “OPERA” по измерению скорости нейтрино, превысившей c на ΔV ~ 7,5 км/с, и опыт “MINOS” – ΔV ~ 10 км/с [2]. Избыток скорости нейтрино обнаружен в 1976 г. и в лаборатории Fermilab [3]: скорость нейтрино на ΔV ~ 10 км/с превысила скорость c каонов. При вспышке сверхновой SN 1987A регистрация серии нейтрино за 7 часов до вспышки соответствовала превышению c на ΔV ~ 1 км/с [2]. Таким образом, несмотря на оспаривание результатов “OPERA”, другие опыты оставляют открытым вопрос о скорости нейтрино. Близость скорости нейтрино к скорости света и независимость V от энергии нейтрино может также означать регистрацию электромагнитного излучения ультравысокой проникающей способности и частоты. Избыток следует из баллистической теории Ритца, по которой источник сообщает свою скорость свету.
Сверхсветовые частицы выявлены также по их черенковскому излучению [4], и в широких атмосферных ливнях (ШАЛ) космических лучей [5]. При V ≈ c измеренный по разности моментов Δt регистрации фронта ШАЛ зенитный угол θт = arcsin(VΔt/2b) был систематически меньше измеренного напрямую θэ – по форме пятна (с полуосями a и b, cosθэ = a/b) сработавших детекторов, по методу Fly’s Eye и т.п. Оценки θт и θэ совпадут при V = 2bsinθэ/Δt > c. Снятые характеристики черенковского, синхротронного и ондуляторного излучений тоже согласуются с классическим V = p/m > c, при баллистической зависимости скорости света от скорости источника [6, 7]. Не опровергают этого и опыты [8] по сравнению скорости электронов и их излучения. Их синхронная регистрация означает близость скоростей, но не V = c. В баллистической теории при импульсе p = 11 ГэВ/с скорость электронов V и их излучения с’ тоже близки: V ≈ 22000c и с’ = c + V ≈ 22001c [9].
В крупных циклических ускорителях V > c следует из прямых оценок V = Lf, где L ~ 1000 м – длина кольца ускорителя, f ~ 10 МГц – частота ускоряющего поля, синхронного вращению частиц [9, 10]. Как правило, V = Lf совпадает с классическим V = p/m ≈ γc, где γ ≈ p/mc – измеренный Лоренц-фактор. В СТО считают v = Lf1 ≈ c = V/q, полагая частоту обращения частиц f1 в q раз меньшей частоты f колебаний поля. Отсюда q ≈ γ – типичное соотношение, загадочное с точки зрения СТО.
В ускорителях малого радиуса, даже при γ >> 1, q = 1 и V = Lf = c. Но если частицы вращаются с частотой в n раз выше частоты ускоряющего поля, истинная скорость V = γc > c. Такие режимы возможны, т.к. колебания поля E(t) ускоряющего резонатора сообщают разную энергию частицам в ускоряющей и тормозящей фазах поля ввиду вариаций скорости частиц [9]. А поле E(t) = Σancos(2πnft + φn) содержит, кроме основной частоты f, гармоники с амплитудами an, номерами n = 100 и выше, ускоряющие синхронные частицы с частотами обращения nf. Для сгустков, летящих по орбитам разных радиусов с частотами nf, общий сигнал S(t) с детекторов можно грубо представить суперпозицией S(t) = Σbn[1 + cos(2πnft + θn)], где bn – амплитуда, θn – фаза, зависящая от равновесной фазы сгустка и дистанции детектора. Сигнал S(t) имеет вид импульсов частоты f. Эффект аналогичен генерации коротких лазерных импульсов частоты f при синхронизации мод nf резонатора. При V > c эффект возможен и в линейных ускорителях: в волноводе возбуждаются моды разных скоростей Vф, ускоряющие синхронные сгустки. А их сигнал S(t) соответствует V ≤ c.
Прямые измерения скорости позволят проверить СТО и повысить эффективность ускорителей при генерации ускоряющего поля СВЧ- и ТГц-диапазона точно на синхронных частотах nf. Из баллистической теории при V >> c эффективность ускорителей может быть повышена и путём учёта зависимости ускоряющей силы F ≈ F0(V/c)2 от скорости V заряда [9]. Подтверждение сверхсветовой скорости частиц и излучений позволит повысить эффективность ускорителей для применения в устройствах дальней космической связи и сверхсветовом космическом транспорте.
Литература:
1. Bertozzi W. // American Journal of Physics. 1964. V. 32, №7. P. 551.
2. Adam T., Agafonova N., Aleksandrov A., et al. // J. High Energy Phys. V. 2012. id 93.
3. Alspector J., Kalbfleisch G.R., Baggett N., et al. // PRL. 1976. V. 36, №15. Р. 837.
4. Водопьянов А.С., Зрелов В.П., Тяпкин А.А. // Письма в ЭЧАЯ. 2000. № 2[99].
5. Барашенков В.С. // Химия и жизнь. 1975. №3. С. 11.
6. Семиков С.А. // Вестник Нижегородского госуниверситета. 2014. №1(2). С. 180.
7. Семиков С.А. // В кн.: Тр. XVIII научн. конф. по радиофизике. 2014 г. С. 165.
8. Brown B.C., Masek G.E., et al. // PRL. 1973. V. 30, №16. P. 763.
9. Семиков С.А. // Инженер. 2013. №6–9. С. 18.
10. Мамаев А.В. URL: http://www.sciteclibrary.ru/texsts/rus/books/superphisyc/r10.htm.
Дата установки: 01.06.2015
[вернуться к содержанию сайта]