УМЕНЬШЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА В ВАКУУМЕ С 1928 по 1945 ГГ

В соответствии с теорией относительности Эйнштейна скорость света в вакууме инвариантна: она является абсолютной константой. Большинство современных физических теорий основывается именно на этом постулате. Поэтому существует стойкое теоретическое предубеждение против того, чтобы рассматривать вопрос о возможном изменении скорости света в вакууме. В любом случае вопрос этот в настоящее время официально признан закрытым. С 1972 г. скорость света в вакууме была объявлена постоянной по определению и теперь считается равной 299792,458 ± 0,0012 к/с.

Так же как и в случае с гравитационной постоянной, прежние измерения этой константы значительно отличались от современной, официально признанной величины. К примеру, в 1676 г. Ремер вывел величину, которая была на 30 % ниже современной, а полученные в 1849 г. результаты Физо были на 5 % выше.^[253] Изменение «лучших» результатов измерения скорости света в вакууме с 1874 г. по наши дни приводится на ил. 14. На первый взгляд кажется, что перед нами еще один блестящий пример повышения точности измерений, а результаты все более и более приближаются к истинному значению. Но имеющиеся факты говорят о том, что ситуация несколько сложнее.

В 1929 г. Бердж опубликовал свой обзор всех доступных на тот момент результатов измерений скорости света в вакууме и пришел к заключению, что наиболее точное значение этой константы равно 299796 ± 4 км/с. Он указал, что вероятная ошибка в данном случае гораздо меньше, чем при измерении численных значений других фундаментальных констант, и пришел к заключению, что «приводимая величина скорости света в вакууме является вполне удовлетворительной и ее можно считать более или менее окончательно установленной».^[254] Однако уже к тому времени, когда был сделан этот вывод, было получено значительно меньшее значение этой константы, а в 1934 г. Дж. Г. де Брей предположил, что существуют данные, указывающие на циклические изменения скорости света в вакууме.^[255]

Ил. 14. Лучшие результаты измерений скорости света в вакууме с 18743 по 1972 гг.

С 1928 по 1945 гг. скорость света в вакууме, как оказалось, была на 20 км/с меньше, чем до и после этого периода (таблица 2). «Лучшие» результаты, полученные ведущими исследователями, использовавшими различные методы, были поразительно близкими, и все имевшиеся на тот момент данные собрали и систематизировали Бердж в 1941 г. и Дорси в 1945 г.

Таблица 2

СКОРОСТЬ СВЕТА В ВАКУУМЕ, 1928–1945^[256]

В конце 40-х гг. величина этой константы вновь стала возрастать. Неудивительно, что когда новые измерения стали давать более высокие значения этой постоянной, среди ученых сначала возникло некоторое недоумение. Новая величина оказалась примерно на 20 км/с выше прежней, то есть достаточно близкой к установленной в 1927 г. Начиная с 1950 г. результаты всех измерений этой константы опять оказались очень близки друг к другу (ил. 15). Остается лишь предполагать, как долго сохранялось бы единообразие получаемых результатов, если бы измерения продолжали проводиться. Но на практике в 1972 г. было принято официальное значение скорости света в вакууме, а дальнейшие исследования прекращены.

Ил. 15. Скорость света в вакууме, определявшаяся с 1927 по 1972 гг. В 1972 г. величина этой константы была объявлена постоянной по определению.

Как можно объяснить уменьшение этой константы в период с 1928 по 1945 гг.? Если речь идет только об ошибке в экспериментах, почему в этот период все результаты, полученные различными исследователями и при использовании различных методов, настолько хорошо согласуются друг с другом? И почему ошибка всегда оказывалась столь низкой?

Суть одного из возможных объяснений сводится к тому, что скорость света в вакууме на самом деле время от времени меняет свое значение. Вероятно, в течение примерно двадцати лет она действительно имела меньшую величину. Однако такую возможность никто, кроме де Брея, всерьез не рассматривал. Уверенность в том, что данная константа должна иметь фиксированное значение, оказалась настолько сильна, что полученные в тот период экспериментальные данные удостоились лишь весьма поверхностного объяснения. Этот примечательный эпизод в науке в настоящее время принято объяснять психологическим фактором:

«В экспериментах той эпохи существовала заметная тенденция к всеобщему согласию, которую кто-то деликатно назвал "блокировкой интеллектуальной фазы". Специалисты по метрологии, как правило, хорошо осознают возможность такого рода эффектов. Всегда найдутся услужливые коллеги, которые будут рады направить вас в нужном направлении! (…) Помимо выявления ошибок, близкое завершение эксперимента приносит более частые и более активные контакты с заинтересованными коллегами, а подготовка к написанию статьи или отчета открывает новые виды на будущее. Все эти обстоятельства, вместе взятые, и предотвращают появление "окончательного результата", заметно отличающегося от общепринятых воззрений. Следовательно, очень легко выдвинуть и трудно опровергнуть подозрение в том, что исследователь перестает заботиться об уточнении своих результатов, если они оказываются близкими к результатам других ученых».^[257]

Но если предшествующие изменения в численных значениях фундаментальных констант приписывать психологии экспериментаторов, тогда, по справедливому замечанию других выдающихся специалистов в области метрологии, «возникает довольно неудобный вопрос: можем ли мы быть уверены, что этот психологический фактор не сохраняет свое значение и в наши дни?»^[258] Однако по отношению к численному значению скорости света в вакууме этот вопрос в наши дни считается чисто академическим. Теперь не только сама эта константа объявляется постоянной по определению, но и все единицы измерения, в которых фигурирует данный параметр, — расстояние и время — теперь определяются через скорость света в вакууме.

Секунда обычно определялась как 1/86400 доля средних солнечных суток, но теперь ее определяют как интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущений внешними полями. И метр с 1983 г. был определен через скорость света в вакууме, по определению постоянной.

Как указал Брайан Петли, вполне возможно, что

«…скорость света в вакууме может (а) меняться со временем, (б) зависеть от направления в пространстве или (в) реагировать на вращение Земли вокруг Солнца, движение внутри Галактики или какие-то другие факторы».^[259]

Тем не менее, если бы изменения этой фундаментальной константы действительно происходили, мы бы этого не заметили. В настоящее время мы находимся внутри искусственной системы, где подобные изменения не только невозможны по определению, но и не могут быть обнаружены на практике из-за способа, которым определяются единицы измерения. Любое изменение в численном значении скорости света в вакууме изменило бы и единицы измерения таким образом, что эта скорость, выраженная в км/с, осталась бы прежней.

ВОЗРАСТАНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Постоянная Планка (h) является фундаментальной константой квантовой физики и связывает частоту излучения (υ) с квантом энергии (Е) в соответствии с формулой E-hυ. Она имеет размерность действия (то есть произведения энергии на время).

Нам твердят, что квантовая теория — образец блестящего успеха и удивительной точности: «Законы, открытые при описании квантового мира (…) являются наиболее верными и точными инструментами из всех, когда-либо применявшихся для успешного описания и предсказания Природы. В некоторых случаях совпадение между теоретическим прогнозом и реально полученным результатом настолько точно, что расхождения не превышают одной миллиардной части».^[260]

Подобные утверждения я слышал и читал так часто, что привык считать, будто численное значение постоянной Планка должно быть известно с точностью до самого дальнего знака после запятой. Кажется, что так оно есть: стоит лишь заглянуть в какой-нибудь справочник по этой теме. Однако иллюзия точности исчезнет, если открыть предыдущее издание того же справочника. На протяжении многих лет официально признанная величина этой «фундаментальной константы» изменялась, демонстрируя тенденцию к постепенному возрастанию (ил. 16).

Максимальное изменение значения постоянной Планка отмечалось с 1929 по 1941 гг., когда ее величина возросла более чем на 1 %. В значительной степени это увеличение было вызвано существенным изменением экспериментально измеренного заряда электрона, е. Измерения постоянной Планка не дают непосредственных значений данной константы, поскольку при ее определении необходимо знать величину заряда и массу электрона. Если одна или тем более обе последние константы изменяют свои величины, изменяется и величина постоянной Планка.

Ил. 16. Лучшие результаты измерения постоянной Планка в период с 1919 по 1988 гг.

Во введении к третьей части книги я уже упоминал об экспериментах Милликена по определению заряда электрона. Как выяснилось, именно сложность точного определения элементарного заряда затрудняет точное вычисление постоянной Планка. Даже в том случае, когда отдельные исследователи в своих экспериментах определяли значительно большую величину этого заряда, их сообщения старались не замечать. «Огромная известность и авторитет Милликена предопределили уверенность в том, что вопрос о величине заряда электрона уже получил вполне определенный ответ».^[261] В течение примерно двадцати лет исследователи предпочитали пользоваться величиной, которую определил Милликен, но появлялось все больше и больше доказательств того, что реальная величина заряда электрона превышает официально признанную. Ричард Фейнман высказался по этому поводу так:

«Интересно проследить историю измерений заряда электрона после Милликена. Если построить график этих измерений как функцию времени, видно, что каждый следующий результат чуть выше предыдущего, и так до тех пор, пока результаты не остановились на некотором более высоком уровне. Почему же сразу не обнаружили, что число несколько больше? Ученые стыдятся этой истории, так как очевидно, что происходило следующее: когда получалось число, слишком отличающееся от результата Милликена, экспериментаторы начинали искать у себя ошибку. Когда же результат не очень отличался от величины, полученной Милликеном, он не проверялся так тщательно. И вот слишком далекие числа исключались и т. п.».^[262]

В конце 30-х гг. расхождения в результатах больше нельзя было игнорировать, но нельзя было и просто отбросить величину, представленную Милликеном и давно признанную учеными. Вместо этого заряд электрона скорректировали за счет введения новой величины — вязкости воздуха, важной переменной в опыте с каплями масла. В результате величина заряда приблизилась к имеющимся новым значениям этой константы.^[263] В начале 40-х гг. были получены еще более высокие значения этой константы, что привело к новой переоценке имевшейся на тот момент официально признанной величины. Разумеется, нашлись причины для новой корректировки результата, полученного Милликеном, позволяющей подогнать его к новым данным.^[264] Каждое увеличение величины заряда электрона е влекло за собой увеличение численного значения постоянной Планка.

Интересно отметить, что значение этой фундаментальной константы постоянно возрастало в период с 50-х до 70-х гг. (таблица 3). Каждое возрастание превышало допустимую погрешность при определении этой константы в предыдущих экспериментах. Самые последние результаты измерений показывают небольшое уменьшение постоянной Планка.

Таблица 3

ВЕЛИЧИНА ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА,

ИЗМЕРЕННАЯ В ПЕРИОД С 1951 ПО 1988 гг.

(ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ)

Было сделано несколько попыток обнаружить изменение постоянной Планка по красному смещению спектров излучения сильно удаленных квазаров и звезд. Суть идеи заключалась в том, что, если бы величина этой фундаментальной константы изменилась, изменение можно было бы обнаружить, сравнивая излучение, возраст которого превышал несколько миллиардов лет, с намного более поздним излучением от сравнительно близко расположенных объектов. Было выявлено небольшое различие, которое привело к громкому заявлению, что величина постоянной Планка ежегодно изменяется примерно на 5/1013 Оппоненты указывают на то, что полученные результаты были предсказуемыми, поскольку все вычисления основывались на изначальном допущении о неизменности этой фундаментальной константы.^[265] Нетрудно заметить, что повторяется прежний аргумент. Строго говоря, начальное допущение подразумевало неизменность произведения hc, но, поскольку величина с является константой по определению, отсюда следует и неизменность постоянной Планка h.