Теория и эксперимент

$\bullet$ Физические теории создаются для описания реального мира. Какой бы красивой ни была теория, без экспериментальных подтверждений она лишь остаётся теорией. На заре своего возникновения теория относительности подтверждалась небольшим числом экспериментов, связанных с измерением скорости света в различных условиях. За исключением самого релятивистского объекта - электромагнитной волны - любые другие доступные скорости были слишком маленькими, чтобы подтвердить эффекты новой теории.

Сейчас ситуация иная. Теория относительности фактически стала инженерной наукой. Благодаря развитию ускорительной техники появилась возможность разгонять очень лёгкие частицы, такие как электрон, протон, ядра атомов до ультрарелятивистских скоростей. Эти эксперименты являются рутинными, ежедневно выполняющимися на ускорителях во многих научных центрах. Ни в одном из них не было обнаружено никаких отклонений от основных следствий теории.

Прежде всего это относится к релятивистской динамике. Соотношения для энергии и импульса выполняются с огромной точностью. С их помощью происходит расчёт треков (траекторий) микрочастиц в электромагнитных полях. На основе этих расчётов определяются технические параметры ускорителей, массы частиц и другие их характеристики. Релятивистские законы сохранения позволяют объяснять множество реакций, происходящих при взаимодействии элементарных частиц.

Ускорители являются также полигоном по проверке и практическому использованию непосредственных следствий преобразований Лоренца. Высокие скорости, достигаемые в ускорителях, с высокой точностью подтверждают такое необычное следствие теории относительности, как замедление времени в движущейся системе отсчёта (стр.\,\pageref{time_delay}). Многие частицы имеют очень короткое время жизни, однако оно увеличивается в точном соответствии с предсказанием теории, если частицы быстро движутся \cite{Bailey1977}. Замедление времени (релятивистское и гравитационное) необходимо учитывать в работе спутниковой навигации. Поэтому проверка теории относительности, фактически, происходит каждый раз, когда мы включаем в телефоне систему GPS позиционирования.

Не стоит забывать и о научном символе XX-века, выраженном в формуле $E=mc^2$. Вся энергетика, в конечном счёте, основана на этом соотношении. Огромная энергия, "хранящаяся" в массах частиц, имеет как мирную, так и военную реализацию в форме атомного и водородного оружия.

Важно понимать, что не существует "главного", критического эксперимента, подтверждающего теорию относительности. Тем более такими экспериментами не являются исторически важные опыты конца XIX-го, начала XX-го века. Наша вера в справедливость теории относительности основывается на самосогласованности огромного числа экспериментов и теорий, которые возникли на базе релятивистской физики.

Например, объединение теории относительности, квантовой механики и электродинамики Максвелла привело к созданию квантовой электродинамики. Её свойства определяются тремя физическими константами - скоростью света "$c$", постоянной Планка "$\hbar$" и зарядом электрона "$e$". Их безразмерное отношение называется постоянной тонкой структуры: $$\alpha = \frac{e^2}{\hbar c} = 1/137.035\,999\,679(94).$$ Предсказания этой теории подтверждаются на эксперименте с фантастической точностью. Приведём лишь один пример. Большинство элементарных частиц обладает спином - собственным моментом вращения. Если частица заряжена, то у неё возникает магнитный момент, т.е. она становится маленьким магнитом. Взаимодействие магнитного момента с внешним магнитным полем позволяет его измерить. Без учёта эффектов квантовой электродинамики можно достаточно легко рассчитать значение магнитного момента. Такой расчёт немного отличается от измеренного значения, поэтому возник термин аномальный магнитный момент. Использование квантовой электродинамики при помощи теории возмущения по константе $\alpha$ позволяет уточнить теоретические расчёты. При этом согласие теории и эксперимента происходит на уровне относительной ошибки $10^{-12}$. И в этом, в конечном счёте, заслуга релятивистской теории, лежащей в основе квантовой электродинамики! Аналогично, благодаря теории относительности, успешно развиваются астрофизика и космология.

Всё это, конечно, не означает, что теория относительности является истиной в последней инстанции. Наоборот, крайне интересно обнаружить пределы её применимости, за которыми, возможно, скрывается новая, ещё более необычная физика. Однако в доступной пока экспериментальной области теория относительности отлично работает, и не существует другой теории, которая так же успешно могла бы объяснить всё множество накопленных к настоящему моменту экспериментальных данных. Рассмотрим несколько экспериментов, сыгравших важную историческую роль при возникновении и становлении теории относительности.