Ефект Допплера та спостереження Де Сіттера

Ефект Доплера та спостереження Де Сіттера

Відкриття ефекту та його пояснення. (Уривок з книги У.І.Франкфурта та А.М.Френка «Оптика тіл, що рухаються»).

Розглядаються два випадки:

1. Спостерігач рухається до джерела. Частота, що сприймається ним, змінюється як:

f = f 0(1 + v / c) (1)

Для спостерігача, що віддаляється: f = f 0(1 – v / c ) (2)

1. Джерело рухається до спостерігача: f = f 0/(1 – v / c ) (3)

Джерело віддаляється від спостерігача: f = f 0/(1 + v / c ) (4)

3. Відкриття уповільнення часу теорією відносності показало, що ці формули тотожно однакові: f = f 0 (1 ± v / c )/(1 – v 2 / c 2 ) 1/2 (5)

f = f 0(1 – v 2 / c 2 ) 1/2 /(1 v / c ) (6)

Більше того, на відміну від класичної формули, де в перпендикулярному напрямку ефект відсутній, у релятивістській він є і підтверджений у дослідах. І назва йому – «поперечний ефект Доплера»:

Для джерела, що рухається f = f 0 U ;

Для спостерігача, що рухається f = f 0/ U . Де U = B = v/c.

Чинник уповільнення часу в рухомих ISO.

Фактор уповільнення часу - це збільшення тривалості однієї секунди в інерційних системах, що рухаються. Оскільки частота визначається як число коливань в секунду, то, наприклад, у спостерігача, що рухається, частота зростає більше, ніж від ефекту Доплера, так як в його секунду вміщається більше коливань. У джерела навпаки, при тій же частоті в його секунду, «спокійний» спостерігач сприймає частоту, що випромінюється, як зменшену в U разів. В обох випадках це є поправкою на зміну частоти від швидкості ISO. Все це перевірено та підтверджено у дослідах. Тепер перейдемо в іншу площину і розглянемо ефект Доплера з іншого боку.

ЕфектДоплера та швидкість світла

У.І.Франкфурт і А.М.Френк у книзі «Оптика рухомих тіл» відобразили лише зовнішній бік ефекту Доплера, показавши ідентичність формул 5 і 6, не торкаючись внутрішніх механізмів випромінювання та прийому. Адже джерело та спостерігач можуть змінюватися місцями. Джерела та спостерігача слід розглядати як окремі інерційні системи, усередині яких діють свої закони.

Швидкість світла у фізиці визначається як добуток частоти на довжину хвилі: c = f l. Звісно, ​​ця формула має діяти у всіх ІСО. Реалізація цієї формули є одним із способів визначення швидкості світла, оскільки дозволяє визначити її з великою точністю. Теорія відносності стверджує, що швидкість світла у всіх ІСО в порожнечі однакова і дорівнює , причому однакова в усіх напрямках. Отже, і добуток частоти на довжину хвилі у всіх ІСО має бути однаковим. Подивимося, як теорія Ейнштейна впоралася з цим завданням.

Тут треба сказати два моменту: перший – частота визначається довжиною секунди, тобто. годинами та його точність вже досягла 10 -12 сек; другий момент – довжина хвилі, вона визначається іншою фізичною величиною – метром. Точність її виміру досягла 10-9. Міжнародний стандарт метра затверджено як певну кількість довжин хвиль, певного переходу атома криптону. Що з цього випливає?

По-перше, довжина хвилі та частота певних переходів атомів у всіх ІСО повинні бути хоча б чисельно однакові, згідно з першим постулатом.

По-друге, якщо частота залежить від тривалості секунди, то як це позначається на довжині хвилі і чи позначається?

Джерело та спостерігач знаходяться кожен у своїй інерційній системі і можуть змінюватись своїми функціями: спостерігач може посилати сигналиджерела та тамтешній спостерігач приймати їх і навпаки. Розглянемо ці моменти:

1. Розглянемо рух спостерігача, коли світло входить до нього з перпендикулярного спрямування. Довжина лінійки в цьому напрямку згідно з теорією у всіх спостерігачів однакова, швидкість світла, на думку спостерігача, що знаходиться в ІСО джерела, що покоїться, в ІСО, що рухається, дорівнює cU . По годинах «нерухомого» спостерігача світло входить в ІСО спостерігача, що рухається, з частотою f 0 і довжиною хвилі l 0 . Швидкість світла, що входить до ІСО дорівнює f 0 l 0 = c. Частота при вході і в самій ІСО спостерігача, що рухається, як носій енергії, не змінюється. Змінюється довжина хвилі як l0U. Він її і виміряє як λ0 U. Тому швидкість світла в нього з точки зору спостерігача, що покоїться, c '= f 0 l 0 U = cU . Зміна довжини хвилі в ІСО спостерігача, що рухається, - є свого роду коефіцієнт заломлення для світла. За аналогією зі склом: частота світла у склі не змінюється, змінюється довжина хвилі – вона зменшується, тому швидкість світла у склі у n разів менша, ніж у повітрі; вийшовши зі скла, швидкість світла знову набуває колишнього значення. Спостерігач, що рухається, вважає, що світло до нього прийшло з частотою f = f 0/ U і довжиною хвилі λ = λ0 U . Тому, вимірюючи швидкість світла, він прийде до висновку, що вона у нього дорівнює с. f 0 / U · 0 U = f 0 0 = c . Чисельне значення швидкості світла зберігається!

2. Спостерігач рухається назустріч джерелу, що покоїться.

Швидкість світла, що прийшов до спостерігача, згідно з теорією і перетвореннями Лоренца повинна бути з , не чисельно, а абсолютно! Подивимося, які обмеження мають супроводжувати такий рух світла? На думку спостерігача, що входить в ІСО рухомого спостерігача частота змінюється як f ' = f 0(1+ B ), довжина хвилі відповідно l ' = l 0/(1+B) через ефект Доплера.

Довжина хвилі повинна скорочуватися в U разів, у стільки ж разів і скорочується лінійка, а частота може рости до нескінченності. В результаті, визначаючи швидкість світла як добуток частоти на довжину хвилі, можна отримувати швидкість більше . Тому довжина лінійки не повинна змінюватися від відносної швидкості ISO. Тільки вимірюючи довжину хвилі нормальною лінійкою, можна побачити додаткове скорочення довжини хвилі.

Таким чином, ми довели, що ніякого скорочення поздовжніх розмірів тіл не може бути! Як не може бути швидкість світла однієї і тієї ж! Принагідно я доведу і це твердження.

Спостерігач, що рухається назустріч джерелу, виміряє частоту як:f ' =f 0(1+B )/U ,довжину хвилі як:l ' =l 0U /(1+B ).Швидкість світла відповідно:

C' =f'l' =C .Але може бути вона дійсно одна і та ж? Виявляється – ні!

Спостерігач, що рухається, отримав лише однакове чисельне значення швидкості світла, оскільки його секунда вГразів довша за його нерухомого опонента і частоту він завищив уГразів. Тому, якщо його секунду привести до часу нерухомого спостерігача, то частота зменшиться вГраз і швидкість світла стане такою, якою їй і слід бути:CU . 11>

Зауважу, що я веду міркування у рамках СТО. Я не змінив жодної формули.

Таким чином, швидкість світла жодним чином не може бути однією і тією ж у всіх ІСО. Зберігається лише чисельне значення швидкості світла:

З цього міркування випливає: швидкість світла в ISO відносна по всіх напрямках, а не тільки в перпендикулярному напрямку;ніякого скорочення тіл у поздовжньому напрямку не повинно бути. Та його й немає, бо ні в якому досвіді його не виявили.

Отже, ми підійшли до фіналу наших міркувань: на одному спостерігачі, що рухається, вбили двох зайців - по-перше, довели, що швидкість світла не може бути скрізь однієї і тієї ж, і по-друге, як наслідок першого, ніякого скорочення поздовжніх розмірів тіл в природі немає і не повинно бути.

3. Спостерігач віддаляється від джерела: f 0(1- B )/ U ' l 0 U /(1- B ) = C . Тут додати вже нічого, тому я наводжу тільки формулу для спостерігача, що віддаляється.

Швидкість світла у спостерігача чисельно однакова з усіх напрямків і дорівнює С. Т.о. число залежить від швидкості спостерігача!

4. Розглянемо рух джерела:

Джерело рухається повз спочиваючого спостерігача, тобто. світло до нього приходить із перпендикулярного напрямку.

Спочатку розглянемо спостерігача, що рухається із джерелом. Він вважає, що швидкість світла у нього з усіх напрямків, тому він бере еталонний перехід атома з частотою f 0 і довжиною хвилі l 0 і посилає сигнал спостерігачеві, що покоїться. Довжина хвилі однакових переходів однакових атомів у всіх спостерігачів має бути однаковою. Далі, спостерігач, що спочиває, вважає, що швидкість світла в джерелі не з , а cU , тобто. частота випромінювання через уповільнення часу не f0, а f0U. Цю частоту і вимірює, цим підтверджуючи поперечний ефект Доплера. Яку довжину хвилі виміряє спостерігач, що спочиває? Вийшовши з джерела, швидкість світла зростає до с, отже, спостерігач, що спочиває, виміряє довжину хвилі як l 0/ U . Що знову ж таки підтверджується в поперечному ефекті, правильніше сказати не Доплера, а Ейнштейна. Для спостерігача, що спочиває, швидкість світла складе: f 0 U l 0/ U =C.

Звідси випливає важливий висновок щодо рівноправності інерційних систем. Звичайно, кожен спостерігач вважає себе таким, що спочиває, а опонента рухається до тих пір, поки не представиться можливість порівняння однакових чисельних значень випромінюваної частоти. Тоді це питання однозначно вирішується. Спостерігач, що рухається, визначить, що він рухається, а спокійний - спочиває.

Швидкість світла та спостереження Де Сіттера

Отже, ми встановили, що в кожній ISO швидкість світла повинна бути своя, хоча чисельне значення самої швидкості зберігається скрізь однаковою. Вийшовши межі ІСО, швидкість світла збільшується чи зменшується залежно від середовища, куди світло потрапляє. Вийшовши межі зірки, світло потрапляє у вакуум, та її швидкість стає рівної з.

Астроном Де Сіттер спостерігав за рухом подвійних зірок і зробив висновок, що світло від зірки, що віддаляється, і від наближається приходять до нас одночасно. Якби одне світло випереджало інше, то ми спостерігали б відхилення від законів Кеплера. Ця обставина послужила для швейцарського фізика В.Паулі у книзі «Теорія відносності» писати, що «ці дані дозволяють майже з достовірністю вважати правильним положення про сталість швидкості світла, а теорію закінчення Рітца та інших визнати провідними до непереборних труднощів».

В.Паулі таки залишив шанс для інших теорій, сказавши слово «майже». Чи не 100%, а майже. Рітц висунув так звану «балістичну» гіпотезу. Згідно з цією гіпотезою швидкість світла складається зі швидкістю джерела. При цьому йому довелося відмовитись від рівнянь Максвелла. І як пише С.Р.Філонович «Найбільша швидкість»: «теорія Ритца успіху не мала». У принципі, якщо прийняти звукову модель руху світла та ізольованість інерційної системи, то у кожній ІСОрівняння Максвелла залишаються без змін. У салоні літака швидкість звуку складається зі швидкістю літака і ми вважаємо це цілком природним явищем, хоча вийшовши за обшивку літака, його швидкість відразу зменшується на величину швидкості літака. Ритцу не вистачило мало для своєї теорії, а саме: у той час ще не було впевненості в відносності самого часу. Хоча відносність часу і випливала з перетворень Лоренца, всерйоз це ніхто не сприймав. Відносність часу була доведена дослідами набагато пізніше, тому Рітц цей фактор не врахував і не розглядав. А відносність часу випливає лише з відносності швидкості світла. Так ось, у моделі Ритца, якщо швидкість світла в ISO залишити без зміни, не буде ніякого уповільнення часу. Але за це Ритца можна пробачити. Все-таки його модель у поєднанні з відносністю швидкості світла є робочою! А ось положення про "постійність швидкості світла" призвело всю теорію до непереборних труднощів!

Розглядаючи ефект Доплера та «звукову модель» руху світла, ми не виявили жодних труднощів у поясненні відомих фактів! Навпаки, всі відомі факти не суперечать нашій моделі та перебувають у повній згоді, на відміну від Ейнштейна.

---