§23. ОПЫТЫ С МЮОНОМ В АТМОСФЕРЕ И СО 112-м ЭЛЕМЕНТОМ

Одним из классических аргументов, подтверждающих теорию относительности, считается эксперимент, который называют "мюон в атмосфере". Состоит он в следующем.

Космические лучи, попадая в атмосферу Земли, вступают во взаимодействие с земной атмосферой, в результате чего получаются новые частицы (которые называют "вторичными космическими лучами"). Одной из частиц, рождающихся в атмосфере под действием космических лучей, является мюон (в старой литературе эту частицу еще называют "мю-мезон", хотя это название неправильное, поскольку мюон относится не к классу мезонов, а к классу лептонов). Мюон - это частица нестабильная, ее среднее время жизни составляет 2,2 миллионных доли секунды, по истечению которых он распадается на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино.

Какое максимальное расстояние может преодолеть мюон в атмосфере? Согласно теории относительности, его скорость не может превышать скорости света. Даже если мюон движется почти со скоростью света, то, умножив его время жизни - 2,2*10-6 секунд на скорость света: 3*108 м/с - получим, что мюон может пролететь не более 660 метров. В действительности же мюоны пролетают несколько десятков километров атмосферы.

Теория относительности объясняет это явление тем, что сокращение времени согласно преобразованиям Лоренца будто бы не просто кажется наблюдателю, а происходит в действительности. Согласно теории относительности, когда мюон движется с околосветовой скоростью, то происходит лоренцевское сокращение длины и времени - в то время как в системе отсчета Земли (или, как ее называют, в лабораторной системе отсчета) проходит большой период времени, за это же время в собственной системе отсчета мюона не превышает его времени распада. Или, если подходить с точки зрения линейных размеров, то несколько десятков километров атмосферы в системе отсчета мюона представляют собой не более нескольких сотен метров.

Однако возможны и нерелятивистские объяснения этого явления. Одно из них - это то, что мюон может двигаться со сверхсветовой скоростью. Если, например, мюон живет 2,2 микросекунды, а пролетает 100 километров, то это можно объяснить тем, что он движется со скоростью 4,5*1010 м/с, то есть в 150 раз быстрее света.

Другие возможные объяснения - что плотность атмосферы у поверхности Земли намного больше, чем в верхних слоях, поэтому, вероятно, мюоны могут рождаться не в верхних слоях атмосферы, а у поверхности Земли. Или, возможно, в верхних слоях атмосферы родилось много мюонов, большинство из них там же и распались, не долетев до Земли, но какая-то часть мюонов, согласно законам радиоактивного распада, вполне может долететь до Земли.

Таким образом, явление пробега мюонов в атмосфере Земли можно объяснить как с помощью теории относительности, так и не прибегая к ней. Но рассматривать это явление как аргумент в пользу теории относительности совершенно неправильно.

Еще одно несостоявшееся подтверждение теории относительности - это опыты по определению химических свойств 112-го элемента таблицы Менделеева. Этот элемент, открытый в середине 1990-х годов независимо друг от друга учеными из Дубны (Россия) и Дармштадта (Германия) и получивший в 2009 году название "коперникий" по своему месту в таблице Менделеева должен быть химическим аналогом ртути. Однако опыты, проведенные в Дубне в 2003 году, неожиданно показали, что 112-й элемент является химическим аналогом не ртути, а инертного газа радона. То есть свойства сверхтяжелых элементов отклоняются от таблицы Менделеева. Ученые трактовали это как "первое яркое подтверждение влияния релятивистских эффектов на свойства сверхтяжелых элементов".

Однако более точные эксперименты, проведенные в Дубне в 2006 году, показали, что 112-й элемент является все-таки аналогом ртути. Подробнее о ходе опытов - см. http://element114.narod.ru/Science/Cp/chem.html. То есть "подтверждение" теории относительности не состоялось. Годом позже делались попытки подобных высказываний в отношении элемента №114, однако впоследствии информации о подтсверждении этого не поступало. По некоторым прогнозам, свойства элементов с номерами 114-116 действительно могут быть похожи на свойства щелочных металлов, что несвойственно их месту в таблице Менделеева; но это связано не с релятивисткими эффектами, а с тем, что из-за большого размера атома внешние электроны сильно удалены от ядра, и поэтому могут очень легко отрываться


В продолжение темы:
Экспериментальная информация о скоростях и энергиях атмосферных мюонов