Как влияет гравитация на скорость радиоактивного распада.

 

Скорость хода атомных часов пропорциональна частоте излучения атома. А частота излучения атома обратно пропорциональна величине постоянной Планка в третьей степени (3.11). Например, уровни энергии в атоме водорода определяются формулой Бора (3.10):

(3.10)

И, соответственно, частота излучения атома водорода при переходе с уровня n на уровень k, равна:

w (8.5)

Здесь m, m_p – массы электрона и протона, е – заряд электрона.

После того как будет экспериментально установлено, что скорость хода атомных часов возрастает вблизи земли, из уравнения (8.5), учитывая, что масса электрона уменьшается вблизи земли (дефект массы, равный гравитационной энергии связи, делённой на квадрат скорости света), можно будет сделать очень важный вывод.

Величина постоянной Планка уменьшается вблизи большой массы.

Следовательно, в ранней Вселенной, когда её плотность была значительно выше, величина постоянной Планка была на несколько порядков меньше, чем в настоящее время. А по мере расширения Вселенной постоянная Планка непрерывно возрастала. Предположение о возрастании постоянной Планка лежит в самом фундаменте теории взрывающейся Вселенной. Такое предположение позволяет естественным образом объяснить взрывные процессы, происходящие в ядрах галактик. И, кроме того, объяснить происхождение огромного момента импульса у спиральных галактик (см. параграф 4.7). Поэтому эксперимент с атомными часами помимо того, что опровергает общую теорию относительности и основанную на ней современную космологию, будет являться прямым подтверждением теории взрывающейся Вселенной.

Согласно общей теории относительности гравитационное взаимодействие полностью сводится к искривлению пространства-времени, то есть к геометрии. С этой точки зрения гравитация одинаковым образом влияет на все виды физических процессов. Например, согласно общей теории относительности скорость радиоактивного распада должна измениться в гравитационном поле точно так же, как и скорость хода атомных часов. Однако такое предположение, которое, кстати, лежит в самом фундаменте общей теории относительности, до сих пор не проверено экспериментально. Поэтому было бы желательно выяснить, как гравитация влияет на скорость радиоактивного распада и, в частности, на скорость распада нейтрона. А для этого нужно сравнивать скорость распада радиоактивного вещества со скоростью хода стандартных атомных часов в течение года.

Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, и расстояние между Землёй и Солнцем изменяется в течение года. Соответственно, изменяется гравитационный потенциал, создаваемый Солнцем на Земле. Поэтому скорость хода атомных часов будет изменяться в течение года. Сравнивая в течение года скорость радиоактивного распада со скоростью хода атомных часов и зная, как изменяется скорость атомных часов в зависимости от величины гравитационного потенциала, можно будет определить, как зависит скорость радиоактивного распада от величины гравитационного потенциала.

Что касается атомных часов, то можно быть уверенным в том, что скорость их хода будет возрастать вблизи большой массы в соответствии с уравнением 3.12 (см. параграф 3.1). Относительно скорости радиоактивного распада такой уверенности нет. С одной стороны, можно предположить, что гравитация будет одинаковым образом влиять и на процессы, происходящие в атоме (а, значит, и на атомные часы), и на процессы, происходящие в атомном ядре (а, значит, и на скорость радиоактивного распада). Но с другой стороны, с не меньшим правом можно предположить, что гравитация будет влиять на эти процессы по-разному.

Ядро радиоактивного атома может самопроизвольно распасться только потому, что составляющие его частицы имеют некоторую неопределённость в движении. Именно благодаря неопределённости в движении a-частица может преодолеть барьер ядерных сил, не обладая для этого достаточной энергией, и «вытечь» из ядра. Перетекание частицы через высокий потенциальный барьер – это исключительно квантовое явление, не имеющее аналогов в классической физике (подробно эта тема обсуждается в [193]). Скорость такого перетекания зависит от величины постоянной Планка. Чем меньше будет величина постоянной Планка, тем дольше будет частица перетекать через барьер. Поэтому естественно ожидать, что вблизи массивного тела скорость радиоактивного распада должна уменьшиться из-за уменьшения постоянной Планка.

Таким образом, мы приходим к следующему выводу (который, конечно же, нуждается в экспериментальной проверке).

Когда Земля находится в афелии своей орбиты, то есть на максимальном удалении от Солнца (в северном полушарии в это время лето), скорость хода атомных часов минимальна, а скорость радиоактивного распада – максимальна. И наоборот, когда Земля находится в перигелии своей орбиты, то есть на минимальном удалении от Солнца (в северном полушарии в это время зима), скорость атомных часов максимальна, а скорость радиоактивного распада – минимальна. Поэтому скорость радиоактивного распада, измеренная по стандартным атомным часам, должна возрастать летом и уменьшаться зимой. Сделаем оценку ожидаемого эффекта.

Масса Солнца М _*» 2×10³⁰ кг; расстояние от Земли до Солнца L» 1,5×10¹¹ м, это расстояние изменяется в течение года на величину D L» 5×10⁹ м. Соответственно, гравитационный потенциал, создаваемый Солнцем на Земле, изменяется в течение года на величину:

Dj» » 3×10⁷ м²/с² (8.6)

Следовательно, скорость хода атомных часов повышается зимой на относительную величину» 2Dj/ с ²» 3×10^-10 (3.12). И так как скорость радиоактивного распада должна уменьшаться зимой, то мы приходим к следующему выводу.

Скорость радиоактивного распада, измеренная по стандартным атомным часам, уменьшится зимой на относительную величину, по крайней мере, бóльшую, чем 3×10^-10.