Заключение

Наш рассказ о скорости света подошел к концу. Он был по необходимости кратким. Из всего множества опытов по определению с мы выбрали лишь те, результаты которых имели значение не только для уточнения величины скорости света, но и оказали существенное влияние на формирование физической картины мира.

Цепь событий, связанных с историей скорости света, проходит через многие разделы физики. Астрономические наблюдения Рёмера и Брадлея доказали конечность скорости распространения света, а оценки, выполненные на основе этих наблюдений, познакомили ученых с новыми, поистине космическими масштабами величин. Первые "земные" опыты по определению скорости света разрешили полуторавековой спор между сторонниками корпускулярной и волновой теорий света в пользу последней. Опыты по измерению электродинамической постоянной дали в руки физиков важное свидетельство о связи между оптическими и электромагнитными явлениями. Измерения скорости света в веществе способствовали укреплению позиций общей теории волновых процессов, в которой принципиальными оказываются понятия о фазовой и групповой скоростях света. Опыты в области оптики движущихся тел сыграли важную роль в пересмотре взглядов на свойства пространства и времени, способствовали укреплению позиций специальной теории относительности. Измерение скорости распространения электромагнитных волн разных диапазонов дали важное подтверждение правильности наших фундаментальных представлений об окружающем мире. Наконец, последние измерения величины с заставляют физиков по-новому подойти к проблеме метрологии, без которой научное изучение природы невозможно. Итак, астрономия, оптика, электромагнетизм, СТО, метрология. Но ведь это далеко не полный перечень областей, которые затрагивает, казалось бы, столь частная проблема, как определение скорости света. И все же скорость света не заслуживала бы, наверное, столь подробного разговора, если бы вопросы, связанные с этой фундаментальной постоянной, не оставались бы актуальными и в наши дни. Рассмотрим хотя бы некоторые из них.

Вспомним еще раз второй постулат СТО: "Скорость света в пустоте во всех инерциальных системах отсчета одинакова, причем одинакова по всем направлениям и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости наблюдателя". Опыты, доказывающие независимость скорости света от движения источника и наблюдателя мы уже рассматривали (см. гл. VI). Попытаемся теперь разобраться, как следует понимать условие применимости второго постулата. Например, что означает выражение "скорость света в пустоте"? Вопрос, казалось бы, надуманный - уберем из некоторой области пространства молекулы, атомы, частицы и получим пустоту. Однако чтобы получить пустоту в эйнштейновском смысле этого слова, недостаточно очистить часть пространства от атомов, молекул и частиц, необходимо избавиться и от гравитационного поля. Но ведь "экрана" от гравитационного поля не существует. Какой же смысл имеет второй постулат, если условие его применимости невозможно реализовать? Более того, можно ли говорить о справедливости СТО? Существует ли теория, в рамках которой достаточно строго рассматривается распространение света в гравитационных полях? Ответим сначала на последний вопрос. Да, такая теория существует. Она называется общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО). Рассмотрение даже основ ОТО далеко выходит за рамки этой книги, поэтому мы ограничимся лишь формулировкой общего вывода, касающегося распространения света в гравитационных полях, данной самим создателем ОТО - Эйнштейном:

"...в гравитационных полях световые лучи распространяются вообще говоря, по криволинейному пути.

Этот вывод важен в двух отношениях.

Во-первых, его можно проверить экспериментально. Хотя при ближайшем рассмотрении оказывается, что искривление световых лучей, согласно ОТО, крайне незначительно для гравитационных полей, доступных нашему опыту, тем не менее для световых лучей, проходящих вблизи Солнца, искривление должно составлять 1,7 угловой секунды. Это должно было бы проявляться в том, что неподвижные звезды, видимые вблизи Солнца при полных солнечных затмениях, казались бы смещенными на указанную величину по сравнению с тем положением, которое они занимают в том случае, когда Солнце находится в другом месте неба. Проверка правильности этого вывода представляет собой задачу чрезвычайной важности и мы надеемся на скорое решение ее астрономами.

Во-вторых, этот вывод показывает, что закон постоянства скорости света в пустоте, представляющий собой одну из двух основных предпосылок специальной теории относительности, не может, согласно общей теории относительности, претендовать на неограниченную применимость. Изменение направления световых лучей может появиться лишь в том случае, если скорость распространения света меняется в зависимости от места".

Далее Эйнштейн как бы отвечает на поставленный нами ранее вопрос:

"Можно было бы думать, что вследствие этого вывода становится несостоятельной специальная теория относительности, а вместе с ней и теория относительности вообще. На самом же деле это не так. Можно лишь заключить, что специальная теория относительности не может претендовать на неограниченную применимость; ее результаты применимы лишь до тех пор, пока можно не учитывать влияние гравитационного поля на физические явления (например, световые)".

Таким образом, анализ световых явлений в гравитационных полях должен был, с одной стороны, представить доказательства справедливости ОТО, а с другой, - показать ограниченность СТО.

Работа Эйнштейна "О специальной и общей теории относительности", отрывки из которой приведены выше, была написана в 1917 г. А через два года английская экспедиция возглавляемая А. Эддингтоном (1882-1944), провела наблюдения звезд в момент полного солнечного затмения, которые подтвердили предсказание ОТО. Однако точность проведенных наблюдений была невысока, поэтом выполнение аналогичных наблюдений продолжало рассматриваться как актуальная задача.

Значительное увеличение точности измерений было достигнуто после того, как ученые начали регистрировать отклонение не световых, а радиоволн. Для этого использовалось излучение от ярких радиоисточников - квазаров. В период с 1969 г. по 1976 г. эксперименты в радиодиапазоне проводились 12 раз. В итоге физики убедились в том, что наблюдаемое отклонение электромагнитного излучения в гравитационном поле Солнца отличается от величины, рассчитанной на основе ОТО, не более, чем на 1%.

В наши дни астрономы обсуждают возможность наблюдения более сложного явления, обусловленного действием гравитационного поля на свет, - эффект гравитационной линзы. Этот эффект был предсказан давно: свет, например, от квазара при прохождении к Земле может отклониться от прямолинейного пути под действием гравитационного поля какого-либо массивного тела и, попав в телескоп, создать несколько изображений квазара. Согласно теории количество и взаимное расположение изображений зависят от формы массивного тела, которое и называется гравитационной линзой. Картина, наблюдаемая в телескоп, определяется, конечно, и расположением линзы относительно квазара.

В 1980 г. группа американских астрономов обнаружила, что изображение квазара, условно обозначаемого Q 1115 + 080, состоит из трех близких компонент. Все изображения имеют очень близкие спектры, из анализа которых можно заключить, что если изображения создаются различными объектами, то все они находятся очень близко друг от друга. Вероятность того, что три похожих квазара находятся рядом, ничтожно мала. Поэтому ученые полагают, что в данном случае возникновение "тройного" изображения - действительно следствие эффекта гравитационной линзы. Тем не менее, это предположение требует дополнительной проверки. Идея проверки очень проста. Известно, что в оптическом диапазоне яркость большинства квазаров переменна. Как должна меняться яркость трех изображений одного квазара? Зависимости яркости изображений от времени, естественно, должно быть сходными. Однако они не обязательно должны совпадать: свет, создающий каждое изображение, движется по своему пути, поэтому изменение яркости одного изображения может запаздывать или опережать изменение яркости другого. Таким образом, если достаточно продолжительные измерения вариаций яркости изображений покажут, что они происходят синхронно или с некоторой постоянной задержкой во времени, то сомнения в обнаружении гравитационной линзы отпадут.

Общая теория относительности предсказывала еще один эффект, связанный с воздействием гравитации на свет, - запаздывание электромагнитного импульса в сильном гравитационном поле. Этот эффект, "родственный" явлению отклонения световых лучей, был сравнительно недавно подтвержден в экспериментах, проводившихся у нас "дома" - в пределах Солнечной системы. О величине эффекта можно судить по следующему примеру. Согласно теории задержка импульса электромагнитного излучения, направленного с Марса на Землю в момент их соединения (т. е. когда Марс, Солнце и Земля находятся примерно на одной прямой) должна составлять 2⋅10^-4 с.

Реальный эксперимент проводится по такой схеме. Мощный импульс СВЧ-излучения направляется с помощью наземной антенны радиотелескопа в сторону искусственного спутника, вращающегося вокруг Марса. Ретранслятор, установленный на спутнике, усиливает дошедший до него сигнал и "отсылает" его обратно, в сторону радиотелескопа. Чувствительная аппаратура, связанная с радиотелескопом, дает возможность измерить время распространения сигнала до спутника и обратно с точностью, позволяющей обнаружить эффект задержки. Наибольшей точности удалось достичь в рамках программы "Викинг". В серии измерений, проведенных в 1979 г., предсказание ОТО было подтверждено с точностью 0,2%.

Из приведенных примеров видно, что опыты и наблюдения, непосредственно связанные с вопросом о скорости света, и в наши дни рассматриваются как важнейшие способы проверки такой фундаментальной физической теории, какой является общая теория относительности.

Наконец, последний пример. Он касается вопроса о массе покоя фотона. Каждый, кто знакомился с квантовой теорией излучения, знает, что масса покоя фотона в этой теории считается равной нулю. Однако это утверждение - всего лишь постулат теории или, иначе говоря, результат обобщения экспериментальных фактов. Между тем ни один реальный физический эксперимент не может доказать с абсолютной точностью равенство нулю какой-либо величины, в том числе и массы покоя фотона. Физикам приходится ограничиваться утверждением типа: "Из опытов следует, что масса покоя фотона m_ф составляет не более 10^-n массы покоя электрона m_э". Если когда-нибудь физики получат экспериментальные результаты, свидетельствующие, что m_ф ≠ 0, им придется пересматривать многие выводы общепринятых сегодня теорий. Вопрос о массе покоя настолько принципиален, что ученые стремятся как можно дальше отодвинуть верхнюю границу возможной величины m_ф (увеличить n).

Однако какое отношение имеет проблема массы фотона к теме нашего разговора - скорости света? Оказывается, самое непосредственное. Мы помним, что одним из важнейших выводов теории Максвелла было отсутствие дисперсии света в пустоте (вакууме). Этот вывод остается справедливым и в рамках более общей теории - квантовой электродинамики, в которой считается, что m_ф = 0. С точки зрения квантовой электродинамики наличие у фотона конечной массы (m_ф ≠ 0) приводило бы к тому, что скорость света в вакууме не была бы универсальной постоянной^*, а зависела бы от энергии фотона. В результате, например, скорость синего света была бы больше, чем красного. Однако проведенные до настоящего времени эксперименты не , обнаружили заметной дисперсии электромагнитного излучения. Это позволяет сделать оценку верхней границы массы покоя фотона. Из измерений группы Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, показавших, что различие скоростей радиоволн с λ = 300 м и видимого света не превышает 5⋅10^-4, следует, что

^* (В этом случае скорость света перестала бы играть роль предельной скорости распространения сигналов. Однако и в "модифицированной" теории должна фигурировать некоторая предельная скорость.)

Это значит, что масса фотона не может превышать 10^-15 массы электрона! И все же, несмотря на то, что из анализа измерений скорости распространения электромагнитных волн и получается столь малая величина, физики стараются использовать и другие результаты наблюдений и измерений для понижения верхней границы m_ф. Не вдаваясь в подробности, скажем, что лучшая на сегодняшний день оценка m_ф, полученная из анализа астрономических данных, дает

Интересно, что с точки зрения современных представлений бесконечное понижение верхней границы массы фотона не имеет смысла. Оказывается, что если бы масса покоя фотона была меньше, чем 10^-66 г, то мы просто не смогли бы зафиксировать эффекты, связанные с наличием у фотона конечной массы. Поэтому величина 10^-66 г оказывается пределом, до которого физики стремятся понизить верхнюю границу m_ф. Интересно, что при m_ф = 10^-66 г различие в скорости длинных радиоволн (λ ≈ 103 м) и γ-лучей (λ ≈ 10^-17 м) должно составлять

Обнаружить столь малую дисперсию вряд ли когда-нибудь удастся.

Вопрос о скорости света продолжает интересовать ученых. Трехсотлетняя история фундаментальной постоянной с отчетливо демонстрирует ее связи с важнейшими проблемами физики. По мере развития науки эти связи становятся все более глубокими и многогранными. Что нового еще принесет нам эта древняя постоянная?