Многократно измеряя ноль

Физика неразрывно связана с точными измерениями. Как написал Роберт Лафлин:

‘Физики склонны рассматривать материю морально. Они связывают свои жизни с предположением о том, что мир точен и упорядочен, и что случайные сбои, вызывающие отклонение от такого взгляда, связаны с ошибками восприятия, появляющимися вследствие недостаточно точных измерений или недостаточно тщательного обдумывания полученных результатов.’

Аллан Франклин и Рональд Леймон посвятили свою книгу именно измерениям, причем измерениям особого рода — когда ожидается, что результаты эксперимента покажут ноль. В книге рассмотрены эксперименты по доказательству одинакового ускорения падающих на Землю тел (инерциальная масса тождественна гравитационной массе), эксперименты, показавшие нулевую скорость Земли относительно эфира, а также разобраны поиск суперсимметрии и безнейтринный двойной бета-распад.

Галилей прекрасно понимал, что при измерении будет получаться что-то отличное от нуля. Поэтому его стратегия доказательства, что все тела падают на Землю одинаково, выглядела примерно так. Возьмем ртуть. Далеко не все тела будут падать на Землю сквозь ртуть, поскольку из-за архимедовой силы большинство тел останутся плавать на поверхности ртути. Возьмем воду. Многие тела будут падать на Землю сквозь воду, но падение разных тел в воде будет выглядеть по-разному. Тем не менее, по сравнению с падением в ртути разница будет поменьше. Теперь перейдем к воздуху. Разница будет существенно меньше. Таким образом, можно себе представить, что если убрать воздух, то тела будут падать совершенно одинаково.

Следующий этап доказательств равенства инерционной и гравитационной масс был измерений связан с использованием мятника. Ньютон существенно улучшил постановку опытов с маятником по сравнению с Галилеем и он смог утвержать, что наблюдаемая разница меньше, чем одна десятая процента. Фридрих Бессель в экспериментах с маятником смог уменьшить результат до один к 60 тысяч. Гарольд Поттер (не имеет ничего общего с книгой про Гарри Поттера) в 1923 году повторил эксперименты Бесселя с веществами с разным содержанием водорода, но ничего не нашел в пределах погрешности, определенной Бесселем.

Лоранд Этвёш (Loránd Eötvös, 1848 — 1919) с использованием крутильных весов смог увеличить точность измерений приблизительно до двух к миллиарду. Таким образом его эксперименты показали, что если разница и была, то она была меньше чем 2e-9. Интересно отметить, что результаты опытов Этвёша получили интересное продолжение в 1986 году, когда физик Эфраим Фишбах с коллегами представили результаты Этвёша в журнале Physical Reviev Letters в таком виде:

http://crydee.sai.msu.ru/Universe_and_us/3num/PIC/force8.gif

По оси X показан разница барионных зарядов двух веществ, помещенных на крутильные весы, по оси Y разница разница измеряемого ускорения (единицы относительные, реальная разница в ускорениях была крайне мала). Тем не менее, на рисунке просматривается зависимость ускорения от разницы барионных зарядов используемых веществ. По этому поводу Фишбах и его коллеги заявяли о наличии пятой силы и физики дружно принялись за новые, более точные измерения. В конце концов пятая сила была закрыта — более точные измерения укладывались на горизонтальную линию.

Вторая часть книги посвящения эксперименту Майкельсона-Морли и последующим измерениям скорости движения Земли относительно эфира. Меня поразило, что в 1933 году физик Дэйтон Миллер (Dayton Miller, 1866 — 1941) заявил о том, что его эксперименты доказывают наличие такой скорости. Измеренная скорость была меньше орбитальной скорости Земли,  но по заявлению Миллера она была значимо больше нуля. Миллер объяснил это движением Солнца — вследствие движения Солнца абсолютная скорость движения Земли была меньше орбитальной скорости. Правда, последующие обработки результатов экспериментов Миллера в 1955 и особенно в 2006 году показали, что при правильной статистической обработки его экспериментов значимое отличие скорости от нуля отсутствует.

Третья часть посвящена эксперимента в области физики высоких энергий. В настоящее время сложилась следующая терминология. Статья с названием «Наблюдение …» подразумевает, что наблюдаемый эффект выходит за пределы пяти стандартных отклонений. Статья, где предполагаемый эффект не выходит за эти пределы, называется «Свидетельство в пользу …». Статья «Измерение …» предполагает сообщение результатов с оценкой ошибки измерения, например, X = 2.57 ± 0.25. Статья с названием «Поиск …» означает, что искомый эффект пока еще не обнаружен.

В завершение скажу про эксперименты физика Эдвина Холла (известен открытием эффекта Холла) по измерению отклонения падающих тел от вертикальной линии (заключительная глава первой части книги). Сила Кориолиса должна вызывать отклонение падающего тела в восточном направлении. Однако в свое время, когда сила Кориолиса еще не существовала, Роберт Гук решил, что свободно падающее тело должно отклоняться не только на восток, но и на юг, при этом проводимые эксперименты показывали его правоту. Теоретический анализа Гаусса и Лапласа показал, что отклонение на юг должно быть минимальным, и таким образом теория вступила с противоречие с проводимыми экспериментами.

Эдвин Холл решил положить конец разногласиям и в 1903 году он провел прецизионные эксперименты по определени отклонения свободно падающего тела от вертикальной линии. Холл показал, что отклонение на юг в пятнадцать — двадцать раз меньше, чем отклонение на восток, тем не менее, отклонение на юг осталось в сто раз больше, чем предсказание теории. Холл завершил описание своим экспериментов таким образом:

‘Вопрос, сворачивает ли падающая сфера из состояния покоя на расстоянии несколько сотен футов в неподвижном воздухе заметно на юг, по сравнению с вертикальным путем, показанным отвесом, возможно не является самым большим или самым неотложным вопросом в физике; тем не менее, у него есть звание почтенного возраста и очарование тайны.’

Очарование тайны со времен Холла в этом вопросе осталось неизменным, поскольку новые эксперименты с тех пор не проводились.

Информация

Allan Franklin and Ronald Laymon, Measuring Nothing, Repeatedly. Null Experiments in Physics, 2019.

Спасибо Vlad Sokolov за ссылку.

Про поиск пятой силы есть статья на русском (рисунок взят из нее):

В. К. Милюков, Пятая сила: миф или реальность?

http://crydee.sai.msu.ru/Universe_and_us/2num/v2pap11.htm

http://crydee.sai.msu.ru/Universe_and_us/3num/V3pap21.htm

Цитата Роберта Лафлина взята из книги:

Robert Laughlin, A Different Universe , Chapter 2, Living with Uncertainty.

Обсуждение

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/237509.html


Comments are closed.