"Этот «цифровой» физический мир" - читать интересную книгу автора (Гришаев Андрей Альбертович)

1.15. Комедия со временем жизни мюонов.

Известен миф о том, что одни из исторически первых свидетельств о релятивистском замедлении времени были получены при измерениях времени жизни мю-мезонов, или мюонов. Мы говорим «миф», потому что даже в учебной литературе и обзорах экспериментов авторы умалчивают подробности и стараются побыстрее проскочить это скользкое место. Даже такой известный специалист по экспериментальной базе теории относительности, как У.И.Франкфурт, на этот счёт дал мимоходом три голые ссылки – и ни слова больше [Ф2]. Слишком уж бросается в глаза, в случае с мюонами, грубость фальшивки.

Вот, профессор А.Н.Матвеев поучает студентов: «Существуют различные способы… измерить длину пути μ-мезона между моментом его рождения и моментом его распада и независимо определить его скорость. Благодаря этому можно найти время жизни частицы. Если имеет место эффект замедления времени, то время жизни мезона должно быть тем больше, чем больше его скорость…» [М3] – и далее о том, что эксперимент всё это подтвердил, причём собственное время жизни μ⁺-мезона составило ≈2·10^-6 с. Эти поучения – позор какой-то. Хотя бы потому, что в опытах, на основе которых приняли соглашение об этих самых двух микросекундах, «моменты рождения» мюонов и, соответственно, их «длины пути», были принципиально неизвестны!

Дело в том, что в этих опытах работали с мюонами природного происхождения, которые летели вниз сквозь атмосферу, рождаясь при ударах протонами космических лучей по частицам воздуха. Протоны эти высокоэнергичные, и мюоны получались релятивистские – имевшие стартовую скорость, близкую к скорости света. О том, что мюоны нестабильны, свидетельствовал, например, такой факт: поглощение мюонов в слое воздуха в 1.4 раза больше, чем в эквивалентном по массе слое воды [Ф3]. Поскольку потери на взаимодействие с веществом в этих случаях практически одинаковы, а разница лишь в проходимых путях, напрашивался вывод о самопроизвольном распаде мюона. Время его жизни поначалу определяли на основе странного допущения о том, что все мюоны рождались на одной и той же высоте – где-то между 15 и 20 км. Использовали мюонный телескоп – пару разнесённых на некоторое расстояние сцинтилляторов. Если мюон пролетал сквозь оба сцинтиллятора, то по двум вспышкам – в режиме совпадений – мюон и регистрировался. Так вот, отклоняли телескоп на некоторый угол от вертикали и измеряли скорость счёта. Затем ставили телескоп вертикально и помещали над ним плотный поглотитель, компенсировавший уменьшение массы проходимого мюоном воздушного столба. При выровненных таким образом потерях на взаимодействие с веществом, скорости счёта для двух названных случаев были различны. Зная геометрическую разность проходимых мюоном путей, вычисляли среднее время его жизни.

Слабым местом здесь являлось ничем не подтверждённое допущение о том, что все мюоны рождались на одной высоте. Окажись это допущение ошибочным – и пойдут прахом все результаты. Так и вышло: сегодня хорошо известно, что мюоны рождаются на всей толще атмосферы, пронизываемой протонами космических лучей. Но до сих пор студенты выполняют лабораторные работы, в которых наклоняют мюонный телескоп. Теперь им уже заранее подсказывают, какую нужно взять «высоту рождения» мюонов, чтобы собственное время их жизни получалось близкое к справочному. Получив за эту туфту пять баллов, мальчики потом кричат на Интернет-форумах, что они «своими руками щупали увеличение времени жизни мюонов»!

А где там оно, увеличение-то? А вот как это релятивисты поясняют. Если собственное время жизни мюона составляет 2 микросекунды, то, двигаясь даже со скоростью света, он пролетел бы всего 600 м, но он пролетает многие километры – значит, только благодаря увеличению времени жизни! Нет уж, вы нас не путайте. Собственное время жизни мюона – это, по вашим же релятивистским меркам, время в системе отсчёта самого мюона. Но в этой системе отсчёта он не пролетает не то что километры, но даже и миллиметры – ибо в ней он покоится. Это в лабораторной системе отсчёта он «пролетает», причём – неизвестно сколько. Что же вы, господа, сопоставляете, если время берёте в одной системе отсчёта, а путь – в другой? Причём, для времени релятивистское преобразование делаете, а для пути – нет! Вы без обмана совсем ничего не можете? А без обмана здесь так: надо знать время жизни покоящегося в лаборатории мюона – вот тогда можно прикидывать, сколько он за это время пролетел бы. Но откуда было взяться покоящимся в лаборатории мюонам, когда они прошибали телескопы насквозь?

От этой «пролётной» методики перешли к более продвинутой – «полу-пролётной». В телескопе поместили два свинцовых поглотителя – притормаживавший и останавливавший. Добавили сцинтилляторов, а схемы совпадений настроили так, чтобы регистрировались только те мюоны, которые пролетали сквозь первый поглотитель, но не пролетали сквозь второй. Варьируя толщину первого поглотителя, можно было селективно регистрировать мюоны с теми или иными энергиями – в «окне» с шириной, которую задавала толщина второго поглотителя – и, таким образом, получить данные для довольно широкого спектра мюонов по энергиям! Однако, при работе с моноэнергическими мюонами, определялось лишь отношение собственного времени жизни мюона к его массе покоя [Ф3], которая ещё не была точно установлена. Приходилось, насчёт этой массы, принимать волевое решение… Но зато использовалась схема, позволявшая не задумываться о том, на какой высоте рождаются все мюоны – на 15 или 20 км. Измерения проводились на двух высотах над уровнем моря – с перепадом в пару километров – и соответствующая разница в скоростях счёта трактовалась как индикатор распадов мюонов на этом двухкилометровом пути. Вот, все эти новшества и применили Росси с соавторами [Р2]. Правда, вместо обещанного спектра, они почему-то выдали лишь две точки, 515 и 972 МэВ, для которых собственные времена жизни мюонов неплохо совпали – что, якобы, подтвердило «наличие релятивистского увеличения длительности жизни с ростом энергии» [Ф3]. А было ли это неплохое совпадение обусловлено тем, что требуемую разность скоростей счёта обеспечила соответствующая разность релятивистских факторов – или просто тем, что мюонов с энергиями 972 МэВ изначально несколько меньше, чем с энергиями 515 МэВ? Ведь их исходное распределение по энергиям было неизвестно! Да и рождение мюонов в промежутке между двумя высотами, на которых работал телескоп, авторы не учитывали… Как ни крути, неизвестных в этой задаче было гораздо больше, чем уравнений. А в такой ситуации однозначных решений не бывает – подходит и первое, и второе, и пятое, и десятое. Нравится то, которое подтверждает теорию относительности – его и выбирай!

Эти высоконаучные подтверждения, по «пролётной» и «полу-пролётной» методикам, достойно увенчала методика «непролётная» - с помощью которой, как нас уверяют, измерялось, наконец, время жизни покоящегося мюона. Идея была в использовании поглотителей, в последнем из которых мюон застревал гарантированно – и момент конца его жизни фиксировался по вылету электрона или позитрона распада. Что же касается момента начала жизни мюона… ну, да, он не фиксировался. Как прикажете его фиксировать, если мюон рождался чёрт знает где? Единственный момент, который ещё фиксировался – это момент влёта мюона в установку, т.е. фактически, момент его застревания в поглотителе. Вот и набирали статистику промежутков времени между застреванием мюона в поглотителе и вылетом оттуда электрона или позитрона распада. Следите за логикой: в течение этого промежутка времени мюон, во-первых, жил, а, во-вторых, покоился. Это и послужило основанием для заявлений о том, что таким образом измерялось время жизни покоящегося мюона. Буквально, так сказать!

Дорогой читатель, мы не шутим. Схема установки и методика измерений даны не только в оригинальных статьях [Р2, Р3], но и у того же Фейнберга [Ф3], и в учебной литературе, например, в [М4], [Л2]. Желающие могут убедиться в том, что всё так и делалось, как описано выше. Уточним лишь, что искомое «время жизни» находилось не простым усреднением регистрируемых промежутков времени. Обнаружилась, статистически, спадающая экспоненциальная зависимость числа распадов от промежутка времени между влётом в поглотитель и распадом. Подобная зависимость – это типичная кривая, описывающая радиоактивный распад. Поэтому характерный интервал времени, которому соответствовал спад экспоненты в e раз, и договорились называть «временем жизни покоящегося мюона». И включили эту величину – около 2.2 мкс – в справочники.

Всё это было бы замечательно, если забыть, что мюоны жили и до того, как влететь в поглотитель. А ведь если мюон летел с высоты 20 км, то, по лабораторным часам, он преодолевал этот путь примерно за 67 мкс. Даже если допустить, что релятивистское замедление времени существует, то при релятивистском факторе, равном 10, мюон в этом полёте жил «по своим часам» около 6.7 мкс – т.е. существенно дольше, чем пресловутые 2 мкс. Выходит, что справочное значение продолжительности жизни покоящегося мюона ничуть не характеризует продолжительность жизни мюона «по его собственным часам». И результаты последующих экспериментов – в которых, скажем, при релятивистском факторе, равном 10, мюон жил 22 мкс – вовсе не свидетельствуют о релятивистском замедлении времени. Эти результаты вообще не имеют физического смысла, их смысл – чисто политический. Мюон был первой нестабильной частицей, с помощью которой «доказали» наличие релятивистского замедления времени. Дальше врать было уже проще.

Нет, ну как это можно: рассуждать о том, что в поглотителе мюон живёт всего 2 микросекунды, и за это время он не успел бы много пролететь – при этом прекрасно зная, что на полёт мюон тратит совсем другой, да не малый, отрезок своей жизни? Совсем плохи дела у теории относительности, если её приходится «подтверждать» подобным лепетом. Истина не нуждается во лжи для своего подкрепления. Во лжи нуждается ложь.