Как измерить скорость хода атомных часов?

 

Когда я пришёл к выводу, что скорость хода атомных часов (частота излучения атома) должна возрастать вблизи большой массы, то подумал, что, возможно, совершил ошибку в своих рассуждениях. Потому что во многих научных и научно-популярных книгах по общей теории относительности говорится о замедлении времени вблизи большой массы как о твёрдо установленном экспериментальном факте. Я несколько раз внимательно анализировал свои рассуждения, пытаясь найти ошибку в них. Но чем тщательнее я пытался найти ошибку, тем больше убеждался, что никакой ошибки нет. Для того чтобы доказать, что время ускоряется вблизи большой массы, совсем не нужно производить сложных математических вычислений. Для этого достаточно на качественном уровне рассмотреть, как изменятся свойства атома вблизи большой массы.

Заряд электрона в гравитационном поле не изменяется, а его масса уменьшается в той же самой пропорции, что и масса атома или вообще масса покоя какого-либо тела (3.2). Уменьшение массы электрона приводит к тому, что электрон переходит на более низкую орбиту, и размер атома уменьшается. При этом скорость движения электрона в атоме возрастает. И это явно противоречит общей теории относительности, согласно которой все физические процессы вблизи большой массы должны замедляться.

И когда я со всей ясностью осознал, что скорость хода атомных часов должна возрастать вблизи большой массы, вопреки общей теории относительности, то решил ознакомиться с гравитационными экспериментами, проведёнными с атомными часами. И первое, что меня поразило – все эти эксперименты проводились очень давно, в 70-х годах двадцатого века. Но тридцать лет назад невозможно было проводить такие эксперименты, потому что тогда не существовало атомных часов требуемой точности. В настоящее время относительная погрешность лучших атомных часов составляет менее чем 10^-15. Используя такие часы, вполне можно определить, где они будут идти быстрее: на нижнем или верхнем этаже высотного здания (относительная величина гравитационных эффектов порядка , то есть 10^-16 на каждый метр подъёма). Но в 70-х годах двадцатого века таких точных часов не было. Вот небольшая справка на эту тему [45,с.73]:

 

В 1999 году в лаборатории Национального института стандартов и технологий (NIST) в Болдере, штат Колорадо, были введены в эксплуатацию часы на базе “цезиевого фонтана”, которые стали государственным эталоном времени США, допускающим погрешность в 10 ^-15. Это значение в 500 раз превосходит точность лучших часов NIST образца 1975 года.

 

Итак, существовавшая в 70-е годы экспериментальная техника не позволяла проводить гравитационные эксперименты с часами. О каких же тогда экспериментах идёт речь в книгах по общей теории относительности?

Предположим, у нас есть двое высокоточных идентичных атомных часов. Первые расположены на поверхности Земли, а вторые – на высоте Н. Как узнать, какие из них идут быстрее? Это можно сделать двумя разными способами.

Первый способ. Периодически сравнивать между собой показания часов и в результате определить, какие из них идут быстрее. Этот способ трудно осуществить технически, потому что требуется измерять миллиардные доли секунды, что вполне возможно в настоящее время, но было затруднительно тридцать лет назад.

Второй способ. Скорость хода атомных часов определяется частотой квантового генератора, лежащего в их основе. Поэтому вместо того чтобы сравнивать показания часов, можно сравнивать между собой частоты квантовых генераторов.

Итак, есть два идентичных квантовых генератора частоты. Один из них оставили на поверхности Земли, а второй подняли на высоту Н. Необходимо выяснить, повысилась частота генератора, поднятого на высоту Н, или понизилась?

В результате многочисленных экспериментов, проведённых в 70-е годы, было выяснено, что частота квантового генератора, поднятого на высоту Н, выше на относительную величину , чем частота идентичного генератора, расположенного на нулевой высоте. И именно исходя из этого был сделан вывод, что скорость хода атомных часов также должна повышаться с увеличением высоты над земной поверхностью. Но такой вывод совершенно необоснован. Посмотрим, как сравнивались между собой частоты двух генераторов, расположенных на разных высотах.

Чтобы сравнить частоты двух электромагнитных волн, нужно сделать так, чтобы они оказались в одном и том же месте. Например, электромагнитная волна, генерируемая верхним генератором, движется вниз и внизу сравнивается с частотой электромагнитной волны, генерируемой нижним генератором. При этом оказывается, что верхняя частота выше на относительную величину . Что это означает?

Согласно общей теории относительности атомные часы, поднятые на высоту Н, идут быстрее на относительную величину . Это означает, что частота электромагнитной волны, генерируемой квантовым генератором, поднятым на высоту Н, также выше на относительную величину . Электромагнитная волна движется вниз, и на нулевой высоте её частота сравнивается с частотой электромагнитной волны нижнего генератора. При этом оказывается, что частота волны, пришедшей сверху, выше на относительную величину . Получается, что пока волна двигалась вниз, её частота, а значит, и энергия, не изменились. Этот вывод явно противоречит закону Всемирного тяготения.

Итак, если мы согласимся с общей теорией относительности в том, что частота верхнего генератора выше частоты нижнего, то придётся сделать вывод, что пока фотоны (электромагнитная волна) движутся вниз, их энергия и частота изменяются!

Эта тема дискутировалась в журнале «Доклады Академии наук» [116,117] и обсуждалась в журнале «Успехи физических наук» [118].

Таким образом, проведённые эксперименты доказывают лишь существование так называемого гравитационного смещения спектральных линий, но ничего не говорят о скорости времени.

Частота верхнего генератора отличается от частоты нижнего. Кроме того, вопреки общей теории относительности, пока электромагнитная волна движется вниз, её частота также изменяется. Сумма этих двух эффектов и приводит к относительному сдвигу частоты . Эта тема подробно обсуждается в [194,195].

В результате мы приходим к выводу, что второй способ, основанный на сравнении частот, не позволяет однозначно определить, какие часы – верхние или нижние – идут быстрее. Что же касается непосредственного сравнения показаний двух атомных часов, расположенных на разных высотах (первый способ), то такие эксперименты не проводились. По крайней мере, о них ничего не говорится в «Физической энциклопедии» [112], а в известном американском журнале «Modern Physics Letters» подобные эксперименты обсуждаются как мысленные [197].