Жу Вд Арк: другие произведения.

Относительность и кванты -часть 3

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Конкурс "Мир боевых искусств. Wuxia" Переводы на Amazon!
Конкурсы романов на Author.Today
Конкурс Наследница на ПродаМан

Устали от серых будней?
[Создай аудиокнигу за 15 минут]
Диктор озвучит книги за 42 рубля
Peклaмa
 Ваша оценка:

  Относительность и кванты
  
  Часть 3
  Эренфест (и не только) о групповой скорости
  
  'Во многих вопросах гидродинамики и
   оптики с пользой применяется,
  особенно за последнее время,
   понятие о 'групповой скорости'.
  Нельзя, однако сказать, чтобы
  это понятие было хорошо выяснено
  и легко доступно для усвоения'
  П. Эренфест о гипотезе эфира [1, с.22]
  
  Введение
  
  Эренфест пишет: 'Пусть даны два колебательных процесса. Немного отличающихся друг от друга по частоте и соответственно по скорости распространения, например две системы волн на поверхности воды'.
  Далее рассмотрена сумма двух равных по амплитуде гармонических колебаний близкой частоты. Использована известная тригонометрическая формула - сумма косинусов двух углов равна удвоенному произведению косинуса полусуммы на косинус полуразности этих углов. Если эти колебания распространяются в среде, то при условии, что скорость распространения зависит от частоты колебаний, мы получаем модуляцию суммарного колебания во времени и в пространстве.
  Картина явления получается в виде биений. Во времени и в пространстве перемещается волна, представляющая собой колебание с промежуточной частотой, которое достигает максимумов и минимумов с разностной частотой. Можно указать скорость распространения максимума волны. Эта величина понимается как групповая скорость волн одинаковой длины, то есть огибающей волны.
  Этот случай можно распространить на сумму сколь угодно большого числа элементарных волн методами Фурье-анализа. В частности, если имеются цуги, представляющие собой некоторое число периодов одной частоты, то есть результат модуляции гармонического сигнала прямоугольным сигналом, то, проходя через среду, они преобразуются в импульсы, огибающая которых будет несколько сглажена и в пределе близка к гармонической функции.
  
  Замечание 38. Распространения одиночных волн и иных случаев негармонических волн на поверхности волны - весьма примечательные явления. Одиночная волна может быть разложена в ряд, то есть содержит несколько колебаний различной частоты. Для поверхностных волн имеет место зависимость скорости распространения от частоты колебаний [2]. Поэтому волна по мере распространения претерпевает изменение формы. Получение этих результатов аналитически чрезвычайно любопытно. Однако, относительно световых волн в настоящее время наукой принята гипотеза постоянства скорости их распространения. Если же скорость распространения световых волн не зависит от их частоты, то дальнейшие рассуждения не имеют отношения к теории света, а следовательно, к рассматриваемой теме - относительность и кванты. Если же можно было бы допустить, что скорость света зависит от частоты, то можно было бы получать довольно любопытные результаты. Разработкой теории в этом направлении занимаются некоторые энтузиасты [3, 4]. Скорость распространения электрического поля измерялась в широком диапазоне частот. Результат совпадает со скоростью света. В то же время видимый свет по частоте отличается не более чем в два - три раза, а частота электромагнитного излучения отличается от частоты светового излучения в десятки и сотни раз. При этом изменений скорости света не обнаружено. Если бы при изменении частоты, например в два раза вызывали существенное изменение скорости света, то изменение частоты в сотни раз должно было, кажется, вызвать гораздо более заметное изменение скорости распространения поля. Если этого не выявлено экспериментально, то, видимо, это не имеет места. Тем не менее, Эренфест уделяет достаточно много внимания этому вопросу. Причин здесь, как мне кажется, как минимум, две.
  1. Для среды, как правило, имеется зависимость скорости распространения волны от ее частоты. Коль скоро вопрос о том, является ли вакуум светоносной средой, или не является, не решен до конца, то говорить о том, что скорость света строго постоянна для любой частоты, как минимум, преждевременно. Даже если эксперимент это установит, можно это утверждать лишь с точностью до погрешности метода измерения. Вводить это утверждение в постулат ни в коем случае нельзя.
  2. Для очень многих светопроводящих сред имеется зависимость скорости распространения света от его частоты. Именно благодаря этой зависимости клинообразная призма расщепляет белый пучок света на спектральные компоненты. Воздух также является средой, и в нем, видимо, также имеется указанная зависимость. Плотные слои атмосферы преломляют свет иначе, чем разреженные, горячие иначе, чем холодные. Эти свойства проявляются в миражах, в зеленом луче на морском закате, и в иных природных явлениях. Однако, показатель преломления в воздухе часто принимается равным единице, то есть считается, что он такой же, как в вакууме. С точностью до этого приближения можно говорить, что скорость света в воздухе одинакова для всех оптических частот. Но некоторые явления не верно описывались бы, если бы это было, действительно, так. Если бы оптическая плотность атмосферы совпадала с оптической плотностью вакуума, то не было бы атмосферных линз, однако, это явление имеет место. Утверждение, что светоносная среда (эфир) отсутствует, проистекает из отрицательного результата опыта Майкельсона. Но опыт Майкельсона воспроизводится с отрицательным результатом не только для вакуума, но и для воздуха и для иных сред. Следовательно, опыт Майкельсона не позволяет утверждать, что вакуум - это просто пустота. Все-таки физики, и Эйнштейн в том числе, признали, что вакуум, это светоносная среда с особыми свойствами. Особые свойства в данном случае - это те, которые ответственны за отрицательный результат опыта Майкельсона. Если опыт Майкельсона поставить не с вакуумом и не с воздухом, а с каналом, заполненным другим веществом, например, стеклом, то можно предполагать, что и в этом случае будут получены отрицательные результаты. Во всяком случае, Эйнштейн это предположение заложил в свой постулат, и все последующие эксперименты это предположение не опровергают. Волоконные интерферометры тоже до сих пор не проявили зависимость интерференционных картин от ориентации лаборатории по отношению к скорости Земли в Солнечной системе. Следовательно, эти особые свойства вакуума ничем особенным от свойств атмосферы и даже стекла не отличаются. Следовательно, не такие уж они и особые. Следовательно, остается актуальным рассмотрение влияния частоты света на скорость его распространения.
  
  Далее Эренфест пишет: 'Если отсутствует дисперсия (dv/dλ = 0), то U = v; скорость перемещения областей наибольшего возбуждения в этом случае (и только в этом) совпадает со скоростью отдельных волн; это понятно и без построения, так как в случае отсутствия дисперсии и первая и вторая составляющие колебания распространяются, не смещаясь по отношению друг к другу. Если зависимость между v и λ, линейная, то U не зависит от λ; в частности, если v = bλ, то U= 0. Области наибольшего возбуждения остаются на одном месте в пространстве. При очень крутом подъеме кривой v(λ) возможны и отрицательные значения для U, т. е. места наибольшего возбуждения перемещаются в направлении, обратном перемещению отдельных волн; такой случай имеет место, например, по соседству с областями аномальной дисперсии. Все описанные явления довольно легко воспроизвести, если взять две обыкновенные гребенки, подобрав их так, чтобы 'длины волн', т. е. расстояния между зубьями, у обеих гребенок были не вполне одинаковы. Накладывая гребенки друг на друга, мы увидим на просвет ряд правильно расположенных темных полос (на местах, где зубцы одной гребенки приходятся против просветов другой), разделенных светлыми промежутками (где соответственные зубцы совпадают). Светлые и темные полосы будут как раз соответствовать 'областям наибольшего возбуждения' и 'областям наименьшего возбуждения' в разобранном нами примере. Передвигая одну гребенку относительно другой, мы можем проследить все те особенности, которые были нами подробно разобраны выше'.
  ' Разобранный нами кинематический вопрос впервые привлек внимание исследователей в связи с некоторыми гидродинамическими наблюдениями. Скорость распространения волн по поверхности воды зависит от длины волны. С другой стороны, нетрудно подметить, что выделенная каким бы то ни было образом 'группа' волн одинаковой длины перемещается с совершенно иной (именно с вдвое меньшей) скоростью, чем отдельная волна той же длины. Мы видим, что в этом отношении существует известное сходство между этими выделенными группами и теми 'областями наибольшего возбуждения', которые мы рассматривали выше'.
  'Несколько позже соображения того же рода получили интерес и для физики, именно в связи с вопросом о скорости света в среде, обладающей дисперсией. Мы рассмотрим этот вопрос сначала по поводу одного идеального опыта, тесно связанного с известным методом Рёмера для определения скорости света'.
  
  Замечание 39. Читатель вправе сказать: 'Нас, прежде всего, интересует скорость света в вакууме'. Возможно, когда-нибудь будет обнаружено, что многие световые эффекты объясняются зависимостью скорости распространения света от его частоты. Тогда к обсуждению этого вопроса можно будет вернуться. Но для того, чтобы распознать эти эффекты, необходимо обсудить, как бы они проявлялись, если бы они имели место. Может быть, они уже имеют место и проявляются? Конечно, в этом случае необходимо будет предварительно попытаться объяснить, почему же всё-таки измерения скорости электрического поля дают один и тот же результат, указывающий, что скорость света все же не зависит от частоты (с точностью до инструментальных погрешностей измерения).
  
  Эренфест допускает: 'Пусть междупланетное пространство наполнено неподвижной средой, которая обладает заметной дисперсией' и далее показывает, что в этом случае вспышки света с резкими фронтами, например, как резкое появление и сокрытие идеализированных спутников Юпитера, доходя до нас, оказались бы сглаженными. То есть мы бы наблюдали постепенное нарастание яркости и постепенный же ее спад.
  Далее рассматривается метод Физо для измерения скорости света, состоящий в перемещении двух точечных отверстий поперек направления распространения света. Если второе смещенное отверстие перемещается в точку строго на пути пучка, прошедшего первое отверстие, то яркость выходного пучка максимальна. По соотношению пройденных расстояний и скорости отверстия можно вычислить скорость света.
  
  Некоторые важные наблюдения Эренфеста понадобятся нам в дальнейшем, поэтому приведем их здесь.
  'Итак, и метод Рёмера, и метод Физо оперируют с отрезками системы волн; достаточно ясно, что с подобными же отрезками мы имеем дело и в методе Фуко, основанном на применении вращающегося зеркала. Относительно этих трех методов все достаточно согласны, что они не дают v. Но один метод для абсолютного определения скорости света принято, со слов Рэлея [9], ставить в исключительное положение. Это - метод аберрации. Рэлей, касаясь метода аберрации в связи с вопросом о дисперсии в космическом пространстве, говорит буквально следующее:
  'Метод аберрации... не связан с наблюдением распространения какой-либо особенности, приданной группе волн, и поэтому не имеет никакого отношения к V. Если мы примем обычную теорию аберрации, то в результате сравнения коэффициента, найденного из наблюдения, с солнечным параллаксом мы получим v - волновую скорость'.
  'Однако если мы внимательно рассмотрим схематизированный метод аберрации, то увидим, что дело обстоит совсем не так, как это представлено в рассуждении Рэлея. Представим себе (дан рисунок) две параллельные бесконечные плоскости, с отверстием в каждой, движущиеся вместе по направлению своей длины с некоторой постоянной скоростью. Пусть на первую плоскость падают перпендикулярно световые лучи. Мы определяем угол, который должна составлять линия, соединяющая центры обоих отверстий, с направлением движения, чтобы наблюдатель, стоящий сзади отверстия во второй плоскости, увидел наиболее яркий свет. При такой постановке опыта совершенно ясно, что наблюдаемый угол определяется как раз скоростью движения тех отрезков лучей, которые успевают проходить через отверстие в первой плоскости при ее движении. Значит, если бы в рассматриваемой среде (в данном случае - в эфире) существовала дисперсия, то мы и по этому методу не получили бы v.
  Попутно следует заметить, что метод аберрации в сущности весьма близок к методу Физо. Возьмем для метода Физо такое расположение приборов: два диска, каждый с отверстием у края, насажены на общую ось длиной несколько километров и могут, таким образом, вращаться вместе. Мы можем теперь поступать двояко. Либо мы поставим оба отверстия друг против друга и будем определять ту скорость, при которой наблюдатель сзади второго диска увидит наиболее яркой светящуюся точку, помещенную перед первым диском; это будет метод Физо почти в чистом виде, Но можно также придать скорости вращения заранее некоторую определенную величину и затем менять 'фазу' второго отверстия относительно первого до тех пор, пока темнота не сменится светом; такой метод принципиально не отличается от метода аберрации. Вместе с тем совершенно ясно, что по обоим методам мы определяем совершенно одну и ту же 'скорость света'.
  Мы пришли к выводу, что ни один из методов абсолютного определения скорости света не дает волновой скорости v. Но мы не могли дать ответа на вопрос, что же определяется этими методами. Решение этого вопроса стоит в тесной связи с весьма сложной задачей о том, как распространяется импульс определенной формы в диспергирующей среде. Довольно обширная литература по этому предмету дает решения лишь для немногих случаев и притом лишь для начального промежутка времени и для мест, близких к области первоначального возмущения. Между тем для нашего оптического вопроса главную роль играют как раз явления, совершающиеся в значительном отдалении от этой области. Вполне изучен лишь случай среды с линейной дисперсией (n = аλ + b), например, в работах Шустера. В этом случае мы имеем то очень важное обстоятельство, что всегда форма импульса периодически восстановляется, и таким образом, действительно есть нечто, о 'скорости распространения' чего можно в известном смысле говорить.
  Притом эта скорость оказывается точно совпадающей с той 'групповой скоростью' U, для которой мы получили выше формулу (V).
  Для некоторых случаев удалось по крайней мере определить скорость волнового фронта, т. е. места, где точно начинается возбуждение. Но основной для нашего случая вопрос об определении мест, до которых успевает в данный момент дойти заметное возбуждение, до сих пор не удалось решить вследствие значительной трудности вычислений.
  Ввиду такого положения дела решались прямо отождествлять всякий отрезок системы волн с той простейшей 'группой', о которой мы говорили вначале; считали, таким образом, что всякий такой отрезок перемещается со скоростью U. Конечно, между понятиями 'отрезок' и 'группа' есть существенная разница: 'группа' получается от сложения двух колебаний приблизительно одинакового периода, тогда как 'отрезок' можно составить лишь из бесчисленного множества колебаний (представление произвольного возбуждения посредством интеграла Фурье).
  Что касается практического применения этого упрощения, то его можно считать в некоторой мере оправданным опытами Майкельсона.
  
  Далее Эренфест пишет: 'Когда Юнг и Форбс в 1881 г. нашли, будто бы синие лучи распространяются в свободном эфире на 18% быстрее, чем красные, а Рэлей воспользовался этим, чтобы поднять принципиальный вопрос - что же, собственно, определяется при абсолютном измерении скорости света в диспергирующей среде, то Майкельсон произвел измерение скорости света для красных и голубых лучей в сернистом углероде: результаты - в пределах возможной точности - оказались соответствующими формуле 'групповой скорости''.
  
  Замечание 40. К сожалению, данное утверждение в рассматриваемой публикации не снабжено комментарием. Современные физики считают, что скорость света не зависит от частоты излучения. Как относиться к сообщению Эренфеста? Совершенно очевидно, что наука отвергла эти результаты. Ведь если скорость света не зависит от частоты, то групповая скорость не отличается от скорости в традиционном понимании. Значит, на сегодняшний день для официальной науки представленные высказывания Эренфеста интересны только с позиции истории науки, а вовсе не с позиции логики теории. Вопрос только состоит в том - насколько обоснованно эти результаты Юнга и Форбса и утверждения Эренфеста отвергнуты. Моё доверие к современной науке не безгранично, но в данном вопросе я предпочел бы полагаться на компетентность экспериментаторов: методы и средства за столетие усовершенствовались чрезвычайно. Однако, мне кажется, что опыты Юнга и Форбса заслуживают обсуждения и комментариев в книгах по теории света. Это особенно важно представляется в связи с некоторыми следующими ниже замечаниями.
  
  Замечание 41. Итак, распространение света в веществе, по-видимому, может иметь отношение к рассматриваемой теме. Если вакуум считать средой, то, возможно, в данном направлении необходимо продолжать рассуждения.
  Настораживает вот какое соображение.
  В астрономии известны так называемые пульсары и двойные звезды [5 -7]
  Двойные звезды - это звезды, излучение которых пульсирует с некоторой частотой. В частности, известна звезда Алголь [7]. 'Обычно Алголь ярок, но через каждые 69 часов его яркость в течение 3,5 часа убывает более чем в шесть раз, а в следующие 3,5 часа восстанавливается до нормальной'. 'Сегодня мы знаем, что первое объяснение было верным. Звезда-спутник с периодом обращения 69 часов регулярно проходит перед Алголем и частично затмевает его'.
  С двойными звёздами вроде бы всё понятно. Но встречаются звезды, пульсирующие с частотой десятки вспышек в секунду [6], называемые пульсарами. Это явление может быть теоретически объяснено либо предположительным обращением двойных звезд друг относительно друга со столь большими скоростями, либо вращением звезд, которые с одной стороны имеют яркие пятна, а с другой - тёмные.
  Может ли быть вращение звезд друг относительно друга со скоростью десятки оборотов в секунду? Такое объяснение представляется более чем натянутым. Может ли звезда совершать тридцать оборотов в секунду? Едва ли такая модель более достоверна. Может ли звезда, вращающаяся со скоростью около 30 об/с, быть покрыта яркими и светлыми пятнами? Такое представить попросту невозможно. Этот колоссальный миксер должен, казалось бы, перемешать вещество в звезде, не говоря уже о температуре! Такие модели можно строить лишь от бессилия увязать наблюдаемую картину с какой-либо реальной моделью. В рамках известных нам физических законов такое образование, да ещё в стационарном состоянии, представить невозможно.
  Если же представить, что некоторая светящаяся звезда просто обращается около какого-то центра притяжения, то ситуация начинает несколько проясняться.
  Согласно теории эфира, излучение получает доплеровский сдвиг частоты, который меняется по величине и знаку по гармоническому закону с частотой вращения этой звезды. Поэтому частота принятого излучения должна быть модулирована, и не более того. Что будет при этом видеть наблюдатель в телескоп? Обсудим этот вопрос на примере одной частоты излучения. Представим себе осциллограмму гармонического сигнала, на который накладывается фазовая модуляция. Синусоида будет слегка растягиваться, а затем слегка сжиматься.
  Теперь вспомнит гипотезу Ритца [1], согласно которой скорость света зависит от скорости источника света. В этом случае модуляции подвергается уже не частота света, а скорость его распространения. В этом случае наблюдатель будет видеть не только фазовую модуляцию, но и амплитудную. Порции света, движущиеся с большей скоростью, будут догонять ранее выпущенные порции, движущиеся с меньшей скоростью. При совпадении фазы поля эти порции будут усиливать друг друга, а при разности фаз, равной 180 градусов, они будут полностью гасить друг друга. При этом модуляция амплитуды будет происходить не с частотой обращения звезд, а, возможно, с многократно более высокой частотой. Это явление объясняется тем, что на больших расстояниях может накапливаться сдвиг фаз не на 180 градусов, а на существенно большую величину, соответствующую большому числу периодов. То есть будет происходить так называемая перемодуляция.
  Для наглядности можно представить себе наблюдении света через две гребенки, движущиеся друг относительно друга в противофазе с низкой частотой: при совпадении просветов между зубцами мы будем видеть свет, а когда зубцы одной гребенки совпадут с промежутками другой гребенки, они будут полностью закрывать проходящий свет. Если амплитуда колебаний гребенок меньше, чем их шаг, то полного прерывания света не будет. Если амплитуда равна шагу гребенок, то будет полное затухание света с частотой, равной частоте колебаний гребенок. Если же амплитуда их колебаний превышает в N раз шаг гребенок, то частота мерцаний будет в N раз выше, чем частота колебаний гребенок. В этом числе N и кроется корень решения вопроса. Если бы пульсар был на относительно близком расстоянии от нас, мы бы наблюдали только колебания его частоты излучения с периодом, равным периоду обращения источника света. С увеличением расстояния до пульсара (в случае справедливости гипотезы Ритца) наряду с частотными колебаниями мы должны увидеть колебания амплитуды света. На некотором определенном расстоянии модуляция света достигает 100%. Если теперь удалиться на расстояние в N раз большее, то частота колебаний станет в N раз выше. Поскольку расстояние может быть весьма и весьма большим, частота колебаний пульсаров может достигать весьма значительной величины в сравнении с частотой обращения источника света вокруг своего центра притяжения.
  Итак, именно тот аргумент, который противники теории Ритца выдвигали при опровержении это теории, теперь может быть использован именно в защиту этой теории. Действительно, в книге Румера читаем: 'Если бы была верна баллистическая гипотеза, то скорость света, идущего от звезды B к Земле, должна была бы меняться в пределах от c+v : до c-v :, пробегая все промежуточные значения: Поэтому должны были бы найтись такие точки на орбите звезды B, из которых свет приходил бы на Землю одновременно. Следовательно, фотографируя движение звезды B, мы на фотопластинке вместо светящейся точки должны были бы получить светящуюся дугу. Однако наблюдения показывают, что для всех двойных звёзд подобные искажения не наблюдаются и, следовательно, зависимость скорости света от источника света отсутствует' [8, с.34]. Здесь автор забывает, что у нас не имеется возможности фотографирования траектории двойных звезд с таким разрешением, чтобы наблюдать угловое перемещение этих звезд. Все двойные звезды излучают, практически, из одного и того же телесного угла, поскольку они удалены настолько сильно, что их пространственное перемещение не меняет их углового положения в полярной системе координат, связанной с Землёй. Что же касается аберрации звезд в связи с движением Земли, то это явление происходит совершенно одинаково для всех звезд, поскольку связано не с их движением, а с движением наблюдателя. Поэтому двойные звезды не меняют своего 'географического' положения во времени. Следовательно, утверждение, что мы должны были бы видеть дугу, ошибочно. Верным было бы утверждение, что мы должны видеть мерцание звезд. Относительно мерцания звезд мы не можем сказать вслед за Румером: 'Подобные искажения не наблюдаются и, следовательно, зависимость скорости света от источника света отсутствует'. Совершенно наоборот, мы должны сказать: 'Такие искажения определенно наблюдаются, причем довольно часто - слишком часто, чтобы это было случайностью, и, следовательно, утверждать об отсутствии зависимости скорости света от источника из данного рассмотрения нельзя'. Мало того, мы должны были бы сказать более определенно: 'Весьма вероятно, что мерцание звезд объясняется именно этим эффектом, поскольку в противном случае нам приходится предполагать стационарное движение звезд с чрезвычайно большими скоростями'.
  
  Замечание 42. Для того, чтобы объяснить мерцание некоторых звезд с рассмотренных выше позиций, оказывается, нет необходимости привлекать теорию двойных звезд. Если звезда достаточно сильно удалена и движется с ускорением, то свет ее тоже будет мерцать, если справедлива гипотеза Ритца.
  
  Замечание 43. Предположим, что из одной и той же точки пространства испускаются два колебания с близкими частотами w1 и w2 и одинаковой амплитуды Eо. Пусть скорость распространения волны от этих колебаний не зависит от частоты колебаний - это соответствует излучению света по волновой теории Френеля - Лоренца. На некоторое расстояние L оба эти колебания приходят с одной и той же задержкой по времени, равной T = L/c, где c - скорость света. На этом расстоянии уравнение первого и второго колебаний в момент t имеют вид
  E1 = Eо cos[(L/c+t) w1], E2 = Eо cos[(L/c+t) w2].
  Можно говорить о фазовой скорости этих двух волн, то есть скорости, с которой 'гребни' и 'впадины' этих волн распространяются в пространстве. Если фазовая скорость всех колебаний одинакова, то будут иметь место всё те же биения, зависящие как от расстояния L, так и от времени t. Суммарная амплитуда будет изменяться от значения 2 Eо до нуля, в зависимости от того, чему равна разность фаз этих колебаний - четному или нечетному числу 'пи' радиан. Иными словами, результирующее колебание будет иметь модуляционную частоту, равную средней частоте, и модулироваться по амплитуде гармонической функцией, аргументом которой является фаза разностной частоты. Предположим теперь, что источник света колеблется с некоторой частотой. В этом случае за счет доплеровского эффекта возникнет частотная модуляция частоты излучения, если приемник этого излучения неподвижен. Среднее значение частоты остается тем же, что и в отсутствии движения источника, а движение будет сказываться в виде эффекта частотной модуляции. Если скорость света строго постоянна и не зависит от частоты излучения источника (равно как от скорости движения источника), то эффекта амплитудной модуляции не возникает. Но если бы скорость света была всегда строго постоянной, то не было бы эффекта Хаббла. Однако, мы знаем, что эффект Хаббла имеет место и он состоит в том, что по мере распространения света во времени в и пространстве его частота падает (что проявляется как смещение длины волны в красную область). Следовательно, фазовая скорость света для каждой серии колебаний изменяется во времени и в пространстве. Следовательно, фаза более высокочастотных колебаний может распространяться быстрее, чем фаза низкочастотных колебаний. В этом случае, возможно именно по этой причине, будет возникать частотная модуляция света - мерцание.
  Замечание 43. Эффект Хаббла, видимо, объясняется вовсе не расширением вселенной, порождающим доплеровский сдвиг частоты, а особенностью распространения упругих волн в среде. Считается, что свет не теряет энергии, распространяясь в вакууме. Это предположение кажется естественным, поскольку, во-первых, вакуумом была названа абсолютная пустота, а во-вторых, Эйнштейном был провозглашен принцип постоянства скорости света. Каждого из этих утверждений достаточно, чтобы уверовать, что свет не теряет энергии. Но, оказывается, каждое их этих утверждений заслуживает критики. Тот факт, что вакуум - это вовсе не пустота, а среда, осознал и признал сам Эйнштейн, о чем он писал в статье 'Эфир и теория относительности'. Постулат о постоянстве скорости света достаточно критиковался, в данной статье достаточно указать, что Эренфест весьма осторожно относился к этому тезису, и подчеркивал, что Эйнштейн не дал никакого объяснения этому постулату в отличие от Ритца и Лоренца, которые свои теоретические положения обосновывали соответствующими моделями.
  Итак, высокочастотные колебания среда, по-видимому, распространяет с несколько большим 'сопротивлением', чем низкочастотные. Можно среду представить условно как некоторую совокупность равномерно распределенных зарядов, обладающих достаточной подвижностью, помещенных в лунки, заряды которых противоположны по знаку и равны по величине. Заряд, который 'отрывается от лунки' испытывает на себе силу притяжения собственной лунки, которая притягивает некоторым образом и соседние заряды. Потом сила возврата заставляет этот заряд стремительно двигаться обратно, и даже с перерегулированием. Это трудно представить на реальной модели, но можно вообразить некоторое свойство 'недостаточности' и 'избыточности' зарядов, которые в каждый момент времени в каждой точке пространства сменяют друг друга. При высокочастотном колебании очень малое количество соседних зарядов находится в той же фазе, что и данный заряд. Поэтому возвращающая сила очень резко возрастает и заставляет заряд вернуться. Если колебания низкочастотные, то соседние заряды находятся в приблизительно тех же фазах и как бы снижают силу 'поверхностного натяжения', что позволяет заряду более легко создавать 'избыточность' и 'недостаточность' синфазно с ближайшими зарядами. Это явление, возможно, аналогично явлению дисперсии, описанному в цитируем ниже фрагменте. Это явление в качестве объяснения эффекта Хаббла выдвигает в своей статье О. Митрофанов [4], и его аргументы представляются достаточно убедительными с той лишь оговоркой, что пока нет оснований утверждать, что скорость света зависит от его частоты. Корректнее видимо, будет говорить о том, что фазовая скорость света может зависеть от частоты. Поэтому дисперсия - не причина, а следствие этих эффектов. Здесь термин 'дисперсия' применяется в том значении, в котором его применяют по отношению к поверхностным волнам в цитируемом фрагменте. Таким образом, низкочастотное колебание, как бы стремится распространиться не только вперед, но и вширь, и назад, растекаясь, таким образом, и растягиваясь. Высокочастотное колебание в меньшей степени склонно распространяться во все стороны и в большей степени сохраняет свою направленность. Видимо, поэтому, распространение колебания в пространстве порождает растягивание его во времени.
  Другое объяснение явления дисперсии может быть получено из рассмотрения плоской волны на основании принципа Гюйгенса.
  Замечание 44. По-видимому, не корректно утверждать, что обнаружено (тем более - доказано) отсутствие явление дисперсии (зависимости скорости распространения от частоты) света в вакууме. В лучшем случае можно говорить о том, что это явление не обнаружено. Это может означать, что его вовсе нет, либо что оно очень слабое. Теоретические соображения, высказанные выше, в пользу того, что этого явления нет, можно понимать только в том смысле, что оно, по-видимому, если имеет место, то очень слабое. Нет оснований ни в теории, ни в эксперименте для категорического отрицания этого явления в вакууме. Точность эксперимента всегда ограничена. Погрешность измерения ненулевой величины всегда можно оценить, погрешность измерения нулевой величины, какой бы она ни была величиной, никогда не может быть такой, чтобы можно было утверждать, что величина равна нулю в принципе.
  Замечание 45. Настораживает тот факт, что эффект Хаббла - это именно смещение частоты света в красную область. Если дисперсия имеет место, то она должна проявляться точно так же: импульс должен растягиваться, частота должна падать, то есть длина волны должна расти. Можно оценить, какова должна быть разность скоростей, чтобы дисперсия была именно такова, какая она должна быть, чтобы приводить к эффекту Хаббла. Но и без расчета ясно, что при измерении скорости света методами, рассмотренными Эренфестом, это явление не может быть выявлено. Все измерения подобными методами производятся на Земле, свет прошел бы расстояние, равное диаметру Земли, за одну двадцатую секунды. Красное смещение даже на таких расстояниях заметного эффекта не даст. Возможно, эффект Хаббла - это как раз и есть тот эксперимент, который природа поставила не зависимо от нашей воли, а нам лишь осталось правильно его трактовать?
  Замечание 46. Если вращающаяся или движущаяся плоскость с круглым осуществляет 'нарезку' света на порции, как показано на рисунке в статье Эренфеста, и эти порции проходят в другое отверстие, то импульсы будут не прямоугольные, а трапецеидальные при прямоугольных отверстиях и еще более сглаженные при круглых отверстиях. Метод измерения по определению предполагает поиск положения, где количество прошедшего света будет максимальным. Метод измерения - статистический. При таком способе измерения дисперсия не может быть обнаружена.
  Замечание 47. Итак, Эренфест установил, что 'ни один из методов абсолютного определения скорости не дает волновой скорости'. Все рассмотренные методы дают групповую скорость. А что же измеряется в опыте Майкельсона? Прежде всего, там имеется интерференционная картина от некогерентного источника света (звезды) - это возможно только при условии полного равенства плеч интерферометра. Равенство плеч интерферометра как раз и обеспечивается в опыте - для этого даже предусмотрена пластина, компенсирующая два лишних прохода одного из пучков света в полупрозрачном зеркале. В опыте предпринята попытка обнаружения перемещения полос интерференционной картины в результате предположительного изменения скорости света в прямом и в обратном направлении в двух взаимно ортогональных плечах; это изменение должно вызывать приращение средней групповой скорости на замкнутых траекториях в двух ортогональных направлениях. Разность этих приращений оценена квадратичной зависимостью от отношения скорости лаборатории к скорости света. При прогнозе явления использовано предположение, что групповая скорость света не зависит от движения в среде зеркала, которое направляет этот луч. Но ведь зеркало движется. Для корректного прогноза опыта Майкельсона необходимо рассмотреть с использованием принципа Гюйгенса ход луча, откуда будет ясно, что зеркало, движущееся с некоторой скоростью, и расположенное к лучу под углом 45 градусов, должно отражать свет уже не под этим углом, а под некоторым измененным углом. То есть угол отражения не будет равен углу падения из-за движения зеркала. Аналогично групповая скорость света, отраженного от движущегося зеркала, не обязана равняться групповой скорости падающего света. Это же, по-видимому, справедливо по отношению к зеркалу, которое расположено ортогонально пучку света: если бы оно было неподвижным, то скорость отраженного света была бы одной, а в случае, когда оно подвижно, эта скорость может измениться. Неподвижно же зеркало только в системе, связанной с лабораторией, а в этой системе по теории 'прогноза' скорость света различна в различных направлениях. В этом случае тем более возникает вопрос, насколько обоснованно осуществлен 'прогноз', согласно которому движение лаборатории должно проявить себя в виде измерения интерференционной картины. Таким образом, опыт Майкельсона, во-первых, не доказывает отсутствие среды, во-вторых, демонстрирует неадекватность проделанных рассуждений в предположении наличия среды.
  
  
  Заключение к части 3
  
  Мы вовсе не утверждаем справедливости гипотеза Ритца. Мы лишь показали, что, во-первых, иногда мы при обсуждении некоторых эффектов вынуждены невольно вспоминать об этой теории, а во-вторых, имеются весомые аргументы в пользу этой гипотезы. К достоинствам гипотезы Ритца следует отнести тот факт, что она, во-первых, очень просто объясняет опыт Майкельсона, во-вторых, до сих пор остается не опровергаемой принципиально. В-третьих, гипотеза Ритца дополнительно объясняет некоторые явления, которые без неё объяснить достаточно сложно. А именно, эта гипотеза объясняет высокочастотное мерцание пульсаров, которые, возможно, вовсе и не являются чем-то особенным и скоростным, а всего лишь движутся колебательно на значительном удалении от нас. Эта теория также, возможно объясняет мигание двойных звезд, часть из которых, возможно даже не являются двойными звездами, а просто движутся поступательно на значительном удалении от нас или к нам. Действительно, у нас нет оснований для запрета такой возможности, потому что, видимо, невозможно отличить смещение вследствие эффекта Хаббла от доплеровского смещения. Если звезда движется, то суммарное изменение частот спектров будет, конечно, иным, чем в случае, если бы она покоилась. Но, поскольку, удаленность звезд определяется по величине красного смещение, то изменение этого смещения просто породит ошибку в определении расстояния до этой звезды. Если звезда движется от нас, то мы решим, что она находится дальше, а если она приближается, то мы решим, что она находится ближе, коль скоро принято считать, что величина частотного смещения однозначно связана с расстоянием до звезды. Другие теории на сегодняшний день такого простого объяснения известным и довольно странным феноменам не дают.
  В статье 'Основы единой теории поля' нами показано, что есть основания, исходя из волновой теории света, тем не менее, применять при желании баллистическую теорию. Причина этого состоит в том, что показана инвариантность преобразования движения волны в силу простого допущения: скорость движения тела в эфире не только влияет на скорость распространения электромагнитных волн, но также влияет на электромагнитные силы. Изменение сил точно также влияет на эффективную массу, поскольку эффективная масса - это проявление сил взаимодействия заряженной частицы с собственным полем. Те же рассуждения можно привести относительно гравитационных полей и сил, а также гравитационных масс. В предположении, что скорость распространения электромагнитного взаимодействия равна скорости распространения гравитационных воздействий (что следует из выявленной экспериментально одинаковой зависимости обеих масс от скорости), можно показать (и это показано), что все уравнения движения остаются инвариантными к скорости тел относительно эфира. Это не относится только и исключительно к уравнениям скорости распространения изменений градиентов полей. Но эти величины непосредственно не измеряются, движение системы относительно эфира можно в ряде определенных экспериментов просто не учитывать. А это означает, что к распространению света можно применять строго те же правила сложения скоростей, что и к движениям упругих тел. Следовательно, математический аппарат теории истечения может быть применен. Следовательно, могут быть справедливы те же результаты, что выводятся из теории Ритца, хотя сама эта теория может быть не строго справедливой.
  
  
  Приложение к части 3
  
  Эффекты групповых волн столь любопытны, что трудно удержаться от соблазна процитировать некоторые моменты из лекций Алешкевича, Деденко и Караваева [2].
  
  
  'В 1834 году шотландский инженер-кораблестроитель и ученый Дж. Рассел, наблюдая за движением баржи по каналу, которую тащила пара лошадей, обратил внимание на удивительное явление. При внезапной остановке судна масса воды вокруг баржи в узком канале не остановилась, а собралась около носа судна, и затем оторвалась от него и в виде большого уединенного водного холма стала двигаться со скоростью около 8 миль в час. Удивительно, что форма холма в процессе его движения практически не менялась. Рассел назвал это движущееся по поверхности воды образование "great solitary wave", что в переводе означает "большая уединенная волна". Теоретическое объяснение уединенные волны получили впоследствии в работах французского ученого Ж. В. де Буссинеска и английского физика Дж. Рэлея. Они обосновали математически возможность существования уединенных волн в мелководных каналах'. 'В 1895 году голландский физик Д. Кортевег и его ученик Г. де Фрис вывели уравнение, описывающее уединенные волны. Это уравнение получило название уравнения Кортевега - де Фриса'.
  'Из-за различия скоростей (гребень волны движется быстрее впадины) происходит превращение гармонической волны в пилообразную. Крутой фронт под действием силы тяжести опрокидывается, и на поверхности воды появляются пенистые гребешки. Опрокидывание фронта легко наблюдать при движении волны по мелководью вблизи берега... Однако в ряде случаев нелинейное искажение волны может компенсироваться дисперсией. В самом деле, пилообразная волна представляет собой набор гармонических волн с разными частотами. Из-за дисперсии эти волны движутся с разными скоростями, и поэтому пилообразный фрагмент волны, подобно импульсу, стремится расшириться. При определенной форме фрагмента оба конкурирующих механизма могут компенсировать друг друга, и тогда по поверхности воды побежит устойчивая структура в виде уединенной волны (солитона)'.
  ': В настоящее время обнаружены солитоны для волн различной природы. Так, например, существуют солитоны при распространении акустических волн в кристаллах, световых импульсов в волоконных световодах, ионно-звуковых волн в плазме и др. Во всех случаях существование солитонов обусловлено взаимной компенсацией нелинейных и дисперсионных эффектов. Естественно, что энергия, переносимая уединенной волной любой природы, будет диссипировать в тепло, поэтому по мере распространения амплитуда солитона будет стремиться уменьшиться, что, естественно, рано или поздно приведет к его исчезновению'.
  
  
  
  Литература
  1. П. Эренфест. Относительность, кванты, статистика. Сборник статей. М., Наука, 1972.
  2. Колебания и волны. Лекции. В.А.Алешкевич, Л.Г.Деденко, В.А.Караваев http://phys.web.ru/db/msg.html?mid=1175042&uri=page39.html
  3. Артеха С.Н. Критика основ теории относительности. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 224 с.
  4. Митрофанов О. Какого цвета скорость света. Техника - молодёжи. 2004, ? 2 (845). с.10-13
  5. Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. Гравитация, космология, космогония. В кн.:Физика наших дней. Сборник. М. Хнание, 1972. 240 с.
  6. Киппенхан Р. Пульсары, которые не пульсируют. http://www.nauka.by.ru/astro/08.html
  7. Киппенхан Р. Двойные звезды. http://www.nauka.by.ru/astro/09.html
  8. Румер Ю.Б., Рывкин М.С. Теория относительности // М., Учпедгиз, 1960. - 212 с.
  9. Rayleigh. Scientific papers, v. 1. Cambridge, 1899, p. 537.
 Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com В.Соколов "Мажор 2: Обезбашенный спецназ "(Боевик) Д.Сугралинов "Дисгардиум 3. Чумной мор"(ЛитРПГ) А.Дашковская "Пропуск в Эдем. Пробуждение"(Постапокалипсис) Е.Кариди "Черный король"(Любовное фэнтези) Н.Александр "Контакт"(Научная фантастика) А.Черчень "Счастливый брак по-драконьи. Догнать мечту"(Любовное фэнтези) Н.Изотова "Последняя попаданка"(Киберпанк) Д.Сугралинов "Дисгардиум 4. Священная война"(Боевое фэнтези) К.Федоров "Имперское наследство. Забытый осколок"(Боевая фантастика) А.Кочеровский "Баланс Темного"(ЛитРПГ)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
И.Мартин "Время.Ветер.Вода" А.Кейн, И.Саган "Дотянуться до престола" Э.Бланк "Атрионка.Сердце хамелеона" Д.Гельфер "Серые будни богов.Синтетические миры"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"