Измерение времени жизни мюонов

Мюоны (мю-мезоны) - это элементарные частицы, масса которых в 206 раз больше массы электрона. Время жизни мюона, измеренное в системе отсчета, в которой мюон покоится, составляет  с. Помимо мюонов, получаемых в лабораторных условиях, наблюдаются также мюоны, образующиеся в слоях атмосферы, расположенных на высоте 20-30 км над поверхностью Земли, в результате столкновения частиц первичного космического излучения с атомами азота и кислорода. Даже если считать, что эти мюоны движутся по направлению к Земле со скоростью света, их пробег с учетом короткого времени жизни должен был бы составлять  м. В действительности же их пробег составляет от 10 до 30 км. С точки зрения классической физики объяснить этот факт невозможно. В теории относительности увеличение времени жизни движущихся мюонов находит естественное объяснение в замедлении времени.

Опыт Саньяка

В этом опыте, проведенном в 1913-1914 гг. Саньяком, на вращающемся круге размещались источник монохроматического света, стеклянная пластинка с полупрозрачным покрытием, расположенная между двумя другими стеклянными пластинками, несколько зеркал по краю круга и фотографическая камера, регистрировавшая интерференционные полосы. Свет, испускаемый источником, делился полупрозрачным покрытием на два пучка, которые далее направлялись от зеркала к зеркалу во встречных направлениях, соединялись вновь и попадали на фотопластинку. При вращении круга наблюдалось смещение интерференционных полос.

Объяснить эффект Саньяка нетрудно, если допустить, что свет обладает инерцией. Для наблюдателя в инерциальной системе отсчета за то время, пока свет идет от зеркала к зеркалу, круг успевает несколько повернуться, так что эффективное расстояние между зеркалами увеличивается, вследствие чего увеличивается время, затрачиваемое светом на прохождение пути между зеркалами, и в конечном счете возникает сдвиг фаз.

Бросается в глаза сходство между опытом Саньяка в оптике и опытом Фуко в механике.

В опыте Саньяка скорость вращения круга составляла всего несколько оборотов в секунду; позднее Б. Погань довел скорость вращения до 25 об/с. Полученные им в 1925-1926 гг. результаты всего на 2% отличались от теоретических значений.

Поскольку в опыте Саньяка, а также в опыте Майкельсона по обнаружению эфирного ветра, который рассматривается далее, используется вращающаяся установка и, следовательно, не выполняются критерии инерциальности системы отсчета, указанные опыты выходят за рамки специальной теории относительности. Поставленные этими экспериментами задачи решаются в общей теории относительности.

Опыт Майкельсона по обнаружению эфирного ветра

Этот опыт, поставленный в 1924-1925 гг., представляет собой опыт Саньяка в большом масштабе; в качестве вращающегося круга здесь используется Земля. Как опыт Фуко с маятником, доказывающий вращение Земли с точки зрения механики, опыт Майкельсона доказывает вращение Земли оптическим путем.

Поскольку угловая скорость вращения Земли относительно невелика, проходимый светом путь должен быть сделан как можно большим, так как величина эффекта определяется произведением угловой скорости на путь, проходимый светом. С этой целью луч света пропускался через эвакуированную трубу почти километровой длины. Опыт затруднялся также невозможностью проведения контрольных измерений на неподвижной установке, из-за чего приходилось второй луч направлять по короткому пути, дающему пренебрежимо малый вклад в сдвиг фаз. Чтобы составляющая угловой скорости, перпендикулярная плоскости установки, была как можно большей, эксперимент необходимо было проводить в полярной области северного полушария Земли.