Состоится ли ревизия закона Ньютона
Любой вид взаимодействия привязан к определенной характеристике вещества – каждая сила тянет за свой крючок. Для электрической силы – это электрический заряд вещества, для классической гравитации «крючком» служит масса, причем любого происхождения. (По этой причине, кстати, тяготение чуть-чуть действует и на свет, потому что он обладает энергией, а тем самым и массой.) Новая сила, как предполагается, действует, подобно ядерной, на барионный заряд вещества, или, попросту говоря, определяется только полным, суммарным числом протонов и нейтронов в объекте. Это обстоятельство должно дополнительно (наряду с зависимостью от расстояния) отличать новую силу от классического тяготения, действующего на массу, поскольку масса вещества не пропорциональна барионному заряду. Действительно, хотя масса в первую очередь зависит от числа тяжелых нуклонов в веществе, то есть от барионного заряда, однако массы протонов и нейтронов немного отличаются, а потому при одном и том же их полном числе, или, как говорят физики, при заданном барионном заряде, суммарная масса зависит от соотношения протонов и нейтронов. Кроме того, в массу атома входит масса электронов, не имеющих барионного заряда, и еще из первой вычитается «дефект массы» – энергия взаимодействия нуклонов в ядре и энергия притяжения к ядру электронов.
Именно указанное различие и было взято авторами обсуждаемой работы за основу для экспериментального обнаружения новой силы: ввиду отсутствия пропорциональности между массой и барионным зарядом следует ожидать, что гипотетические силы отталкивания будут различными для тел одной массы, но разного элементного состава. Это предсказание оборачивается для гипотезы очень суровой проверкой. Дело в том, что независимость тяготения от химического состава подвергалась со времен Галилея многократным «тестам», точность которых все возрастала. Сегодня утверждение о том, что сила тяжести не зависит от химического состава притягивающихся тел, считается непреложным фактом, лежащим в основе фундаментального принципа эквивалентности тяготеющей и инерционной масс. А принцип эквивалентности, в свою очередь, был положен Эйнштейном в основу общей теории относительности. Поэтому новая гипотеза сразу же приобрела некоторый «еретический» привкус.
Чтобы проверить ее жизнеспособность, нужно оценить ожидаемое на ее основе различие в притяжении тел разного состава и сравнить с данными наиболее точных – прецизионных – экспериментов.
Прежде всего сразу становится ясным, что хотя искомое отталкивание составляет – даже в бытовом понимании – заметную часть от ньютонового притяжения (около 1%), измеряемая при изучении добавочного отталкивания величина окажется много меньше. В самом деле, мы собираемся сравнивать не отталкивание с притяжением, а различие в отталкивании тел разного состава. Это различие оказывается в несколько раз меньше самого отталкивания. Чтобы в этом убедиться, нужно подсчитать отношения барионного заряда к массе атома для разных элементов и их сопоставить (см. рис.1).
Рис. 1. Относительные разности ускорения свободного падения для разных пар веществ в зависимости от различия их удельных барионных зарядов.Указаны среднеквадратичные разбросы измерений. Точка с нулевой разностью барионных зарядов соответствует сравнению смеси реагентов (сернокислых серебра и двухвалентного железа) со смесью продуктов их реакции (металлического серебра и сернокислого железа).
Практически на опыте сравнивают не взаимное притяжение двух тел в зависимости от их состава, а притяжение пробных тел к очень большому третьему телу. Впервые такой опыт поставил Галилей, измеривший ускорение свободного падения на Земле тел разного состава и веса. Если справедлив закон Ньютона, то есть если вес тела строго пропорционален его массе, то ускорение свободного падения должно быть величиной постоянной. Это и было установлено Галилеем с точностью порядка долей процента.
Самая высокая точность в опытах такого типа была достигнута в 1971 году в Московском государственном университете в экспериментах В.Б.Брагинского и В.И.Панова, ограничивших различие в ускорениях свободного падения величиной 10–12 от самого ускорения. К сожалению, этот результат не может быть использован для проверки обсуждаемой гипотезы, поскольку Брагинский и Панов измеряли ускорение свободного падения пробных тел на Солнце. Другими словами, в этих опытах исследовалось взаимодействие на столь больших расстояниях, что экспоненциально убывающее отталкивание должно было полностью исчезнуть.
Поэтому авторы гипотезы обратились к чисто «земным» опытам – к исследованиям известного венгерского ученого Роланда фон Этвеша (1848 .1919). В опытах Этвеша центробежная сила, связанная с вращением Земли и действующая на любое тело, сопоставлялась с силой тяжести. Детальный отчет об этих исследованиях, продолжавшихся десятки лет, был опубликован сотрудниками Этвеша, Д.Пикаром и Э.Фекете, уже после его смерти, в 1922 году. В историю физики этот отчет вошел как свидетельство того, что ускорение свободного падения любых тел постоянно с точностью до 10–8. Однако детальное рассмотрение отчета группы Этвеша показывает, что в работе все же были обнаружены очень малые, но статистически значимые различия ускорений при падении разных тел. Например, было установлено, что вода ускоряется при падении на одну стомиллионную долю меньше, чем медь (на 1,0 ± 0,2 в единицах 10–8) (В отличие от Галилея Этвеш не измерял непосредственно ускорение свободного падения. Он применил метод, основанный на использовании крутильных весов Кавендиша – коромысла, висящего на тончайшей нити, к концам которого подвешивались испытуемые тела. Различия в ускорениях падения вычислялись по результатам измерений угла, на который закручивается нить при изменении ориентации основания весов относительно меридиана). Но поскольку подобные различия среди остальных девяти пар исследованных веществ оказались еще меньше и при этом не обнаруживалось никакой логической связи этих различий с химическим составом веществ, то сотрудники Этвеша не сочли найденные отклонения достойными внимания и ограничились в выводах констатацией отсутствия эффекта за пределами 10–8. Но именно эти следы различий в ускорениях свободного падения и привлекли внимание авторов январской публикации 1986 года в "The Physical Review Letters".
Немного больше о технологиях >>>
Разработка интегрированного стартер-генератора на основе вентильно-индукторной машины
Рассматриваются
принципы работы стартер-генераторного устройства автономного объекта на базе
вентильно-индукторной машины. Проведено исследование режимов работы
вентильно-индукторного стартер-генератора на основе математического
моделирования. Предложено решение проблем расшире ...
Каталитический этюд
Современное учение о катализе можно
уподобить гигантскому живописному полотну, на котором с большого расстояния
различимы два частично пересекающихся сюжета. Первый включает процессы, с
помощью которых химики стремятся производить то, что давно умела делать
природа. Речь идет в ...
