stringtranslate.com

Теория излучения (теория относительности)

Теория излучения , также называемая теорией излучателя или баллистической теорией света , была конкурирующей теорией для специальной теории относительности , объясняющей результаты эксперимента Майкельсона–Морли 1887 года. Теории излучения подчиняются принципу относительности , не имея предпочтительной системы отсчета для передачи света , но утверждают, что свет излучается со скоростью «c» относительно своего источника вместо применения постулата инвариантности. Таким образом, теория излучателя объединяет электродинамику и механику с простой ньютоновской теорией. Хотя за пределами научного мейнстрима все еще есть сторонники этой теории, большинство ученых считают эту теорию окончательно дискредитированной. [1] [2]

История

Имя, которое чаще всего ассоциируется с теорией излучения, — Исаак Ньютон . В своей корпускулярной теории Ньютон визуализировал световые «корпускулы», которые выбрасываются из горячих тел с номинальной скоростью c относительно излучающего объекта и подчиняются обычным законам ньютоновской механики, и затем мы ожидаем, что свет движется к нам со скоростью, которая компенсируется скоростью удаленного излучателя ( c  ±  v ).

В 20 веке специальная теория относительности была создана Альбертом Эйнштейном для разрешения кажущегося конфликта между электродинамикой и принципом относительности . Геометрическая простота теории была убедительной, и большинство ученых приняли относительность к 1911 году. Однако несколько ученых отвергли второй основной постулат относительности: постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета . Поэтому были предложены различные типы теорий излучения, в которых скорость света зависит от скорости источника, а вместо преобразования Лоренца используется преобразование Галилея . Все они могут объяснить отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли , поскольку скорость света постоянна относительно интерферометра во всех системах отсчета. Вот некоторые из этих теорий: [1] [3]

Альберт Эйнштейн, как предполагается, работал над собственной теорией излучения, прежде чем отказался от нее в пользу своей специальной теории относительности . Много лет спустя RS Shankland сообщает, что Эйнштейн сказал, что теория Ритца была «очень плоха» местами и что он сам в конечном итоге отказался от теории излучения, потому что не мог придумать ни одной формы дифференциальных уравнений, которые бы ее описывали, поскольку она приводит к тому, что волны света становятся «полностью перепутанными». [8] [9] [10]

Опровержения теории эмиссии

Следующая схема была предложена де Ситтером [11] для проверки теорий эмиссии:

где c — скорость света, v — скорость источника, c' — результирующая скорость света, а k — константа, обозначающая степень зависимости от источника, которая может достигать значений от 0 до 1. Согласно специальной теории относительности и неподвижному эфиру, k = 0, в то время как теории излучения допускают значения до 1. Было проведено множество наземных экспериментов на очень коротких расстояниях, где не могли проявиться никакие эффекты «затягивания света» или затухания, и снова результаты подтверждают, что скорость света не зависит от скорости источника, что окончательно исключает теории излучения.

Астрономические источники

Аргумент Виллема де Ситтера против теории излучения. Согласно простой теории излучения, свет движется со скоростью c относительно излучающего объекта. Если бы это было правдой, свет, излучаемый звездой в двойной звездной системе из разных частей орбитального пути, двигался бы к нам с разной скоростью. Для определенных комбинаций орбитальной скорости, расстояния и наклона «быстрый» свет, излучаемый во время приближения, обгонял бы «медленный» свет, излучаемый во время отступающей части орбиты звезды. Было бы видно много странных эффектов, включая (a) как показано, необычно сформированные кривые блеска переменных звезд, которые никогда не наблюдались, (b) экстремальные доплеровские красные и синие смещения в фазе со световыми кривыми, подразумевающие сильно некеплеровские орбиты, и (c) расщепление спектральных линий (обратите внимание на одновременное прибытие смещенного в синюю и красную сторону света к цели). [12]

В 1910 году Дэниел Фрост Комсток и в 1913 году Виллем де Ситтер писали, что в случае двойной звездной системы, видимой с ребра, можно ожидать, что свет от приближающейся звезды будет двигаться быстрее, чем свет от ее удаляющегося компаньона, и обгонит ее. Если расстояние было достаточно большим для того, чтобы «быстрый» сигнал приближающейся звезды догнал и обошел «медленный» свет, который она испустила ранее, когда удалялась, то изображение звездной системы должно было выглядеть полностью перемешанным. Де Ситтер утверждал, что ни одна из изученных им звездных систем не показала поведения экстремального оптического эффекта, и это считалось похоронным звоном для теории Ритца и теории излучения в целом, с . [11] [13] [14]

Влияние затухания на эксперимент де Ситтера было подробно рассмотрено Фоксом, и это, возможно, подрывает убедительность доказательств типа де Ситтера, основанных на двойных звездах. Однако, аналогичные наблюдения были сделаны совсем недавно в рентгеновском спектре Бречером (1977), который имеет достаточно большое расстояние затухания, чтобы оно не должно было повлиять на результаты. Наблюдения подтверждают, что скорость света не зависит от скорости источника, с . [2]

Ганс Тирринг утверждал в 1924 году, что атом, который ускоряется в процессе излучения тепловыми столкновениями на солнце, испускает световые лучи, имеющие разные скорости в начальной и конечной точках. Таким образом, один конец светового луча обгонит предыдущие части, и, следовательно, расстояние между концами увеличится до 500 км, пока они не достигнут Земли, так что само существование резких спектральных линий в солнечном излучении опровергает баллистическую модель. [15]

Наземные источники

К таким экспериментам относится эксперимент Садеха (1963), который использовал метод времени пролета для измерения разности скоростей фотонов, движущихся в противоположных направлениях, которые были получены в результате аннигиляции позитронов. [16] Другой эксперимент был проведен Альвегером и др. (1963), которые сравнили время пролета гамма-лучей от движущихся и покоящихся источников. [17] Оба эксперимента не обнаружили никакой разницы, в соответствии с теорией относительности.

Филиппас и Фокс (1964) [18] не считали, что Садех (1963) и Альвегер (1963) в достаточной степени контролировали эффекты затухания. Поэтому они провели эксперимент, используя установку, специально разработанную для учета затухания. Данные, собранные с различных расстояний детектор-цель, согласовывались с отсутствием зависимости скорости света от скорости источника и не согласовывались с модельным поведением, предполагающим c ± v как с затуханием, так и без него.

Продолжая свои предыдущие исследования, Альвегер и др. (1964) наблюдали π 0 - мезоны , которые распадаются на фотоны со скоростью 99,9% скорости света. Эксперимент показал, что фотоны не достигают скорости своих источников и продолжают двигаться со скоростью света, с . Исследование среды, через которую проходили фотоны, показало, что смещение экстинкции недостаточно для существенного искажения результата. [19]

Также были проведены измерения скорости нейтрино . В качестве источников использовались мезоны, движущиеся почти со скоростью света. Поскольку нейтрино участвуют только в электрослабом взаимодействии , затухание не играет никакой роли. Земные измерения дали верхние пределы .

Интерферометрия

Эффект Саньяка показывает, что один луч на вращающейся платформе покрывает меньшее расстояние, чем другой луч, что создает сдвиг в интерференционной картине. Было показано, что оригинальный эксперимент Жоржа Саньяка страдает от эффектов затухания, но с тех пор было показано, что эффект Саньяка также происходит в вакууме, где затухание не играет никакой роли. [20] [21]

Предсказания версии теории излучения Ритца согласуются почти со всеми земными интерферометрическими тестами, за исключением тех, которые связаны с распространением света в движущихся средах, и Ритц не считал трудности, представленные такими тестами, как эксперимент Физо, непреодолимыми. Однако Толмен отметил, что эксперимент Майкельсона-Морли с использованием внеземного источника света может обеспечить решающую проверку гипотезы Ритца. В 1924 году Рудольф Томашек провел модифицированный эксперимент Майкельсона-Морли с использованием звездного света, в то время как Дейтон Миллер использовал солнечный свет. Оба эксперимента не согласуются с гипотезой Ритца. [22]

Бабкок и Бергман (1964) поместили вращающиеся стеклянные пластины между зеркалами интерферометра с общим путем, установленного в статической конфигурации Саньяка . Если стеклянные пластины ведут себя как новые источники света, так что полная скорость света, выходящего из их поверхностей, равна c  +  v , можно было бы ожидать сдвига в интерференционной картине. Однако такого эффекта не было, что снова подтверждает специальную теорию относительности и снова демонстрирует независимость скорости света от источника. Этот эксперимент был выполнен в вакууме, поэтому эффекты затухания не должны играть никакой роли. [23]

Альберт Абрахам Майкельсон (1913) и Кирино Майорана (1918/9) провели интерферометрические эксперименты с неподвижными источниками и движущимися зеркалами (и наоборот) и показали, что нет зависимости скорости света от источника в воздухе. Устройство Майкельсона было разработано для различения трех возможных взаимодействий движущихся зеркал со светом: (1) «световые корпускулы отражаются как снаряды от упругой стенки», (2) «поверхность зеркала действует как новый источник», (3) «скорость света не зависит от скорости источника». Его результаты согласуются с независимостью источника от скорости света. [24] Майорана анализировал свет от движущихся источников и зеркал, используя неравноплечий интерферометр Майкельсона, который был чрезвычайно чувствителен к изменениям длины волны. Теория излучения утверждает, что доплеровское смещение света от движущегося источника представляет собой сдвиг частоты без сдвига длины волны. Вместо этого Майорана обнаружил изменения длины волны, несовместимые с теорией излучения. [25] [26]

Бекман и Мандич (1965) [27] повторили эксперименты с движущимся зеркалом Майкельсона (1913) и Майораны (1918) в высоком вакууме, обнаружив, что k меньше 0,09. Хотя использованный вакуум был недостаточен для того, чтобы окончательно исключить затухание как причину их отрицательных результатов, его было достаточно, чтобы сделать затухание крайне маловероятным. Свет от движущегося зеркала проходил через интерферометр Ллойда , часть луча проходила по прямому пути к фотопленке, часть отражалась от зеркала Ллойда. Эксперимент сравнивал скорость света, гипотетически движущегося со скоростью c + v от движущихся зеркал, с отраженным светом, гипотетически движущимся со скоростью c от зеркала Ллойда.

Другие опровержения

Эмиссионные теории используют преобразование Галилея, согласно которому временные координаты инвариантны при смене систем отсчета («абсолютное время»). Таким образом, эксперимент Айвза–Стилвелла , подтверждающий релятивистское замедление времени , также опровергает эмиссионную теорию света. Как показал Говард Перси Робертсон , полное преобразование Лоренца может быть получено, когда эксперимент Айвза–Стилвелла рассматривается совместно с экспериментом Майкельсона–Морли и экспериментом Кеннеди–Торндайка . [28]

Более того, квантовая электродинамика помещает распространение света в совершенно иной, но все еще релятивистский контекст, который совершенно несовместим с любой теорией, постулирующей зависимость скорости света от скорости источника.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Fox, JG (1965), «Доказательства против теорий эмиссии», American Journal of Physics , 33 (1): 1–17, Bibcode : 1965AmJPh..33....1F, doi : 10.1119/1.1971219.
  2. ^ ab Brecher, K. (1977), «Независима ли скорость света от скорости источника?», Physical Review Letters , 39 (17): 1051–1054, Bibcode : 1977PhRvL..39.1051B, doi : 10.1103/PhysRevLett.39.1051.
  3. ^ Толмен, Ричард Чейс (1912), «Некоторые теории излучения света» (PDF) , Physical Review , 35 (2): 136–143, Bibcode : 1912PhRvI..35..136T, doi : 10.1103/physrevseriesi.35.136
  4. ^ Ритц, Уолтер (1908), «Критические исследования в области общей электродинамики», Annales de Chimie et de Physique , 13 : 145–275, Бибкод : 1908AChPh..13..145R. См. также английский перевод, заархивированный 14 декабря 2009 г. на Wayback Machine .
  5. ^ Ритц, Вальтер (1908), "Recherches Critiques sur les Theories Electrodynamiques de Cl. Maxwell et de H.-A. Lorentz", Archives des Sciences Physiques et Naturelles , 36 : 209, заархивировано из оригинала 11 августа 2016 г. , получено 4 июня 2013 г.
  6. ^ Толмен, Ричард Чейс (1910), «Второй постулат относительности»  , Physical Review , 31 (1): 26–40, Bibcode : 1910PhRvI..31...26T, doi : 10.1103/physrevseriesi.31.26
  7. ^ Стюарт, Оскар М. (1911), «Второй постулат относительности и электромагнитная эмиссионная теория света», Physical Review , 32 (4): 418–428, Bibcode : 1911PhRvI..32..418S, doi : 10.1103/physrevseriesi.32.418
  8. ^ Шенкленд, RS (1963), «Беседы с Альбертом Эйнштейном», Американский журнал физики , 31 (1): 47–57, Bibcode : 1963AmJPh..31...47S, doi : 10.1119/1.1969236
  9. ^ Нортон, Джон Д., Джон Д. (2004), «Исследования Эйнштейна по галилеевской ковариантной электродинамике до 1905 года», Архив истории точных наук , 59 (1): 45–105, Bibcode : 2004AHES...59...45N, doi : 10.1007/s00407-004-0085-6, S2CID  17459755
  10. ^ Мартинес, Альберто А. (2004), «Ритц, Эйнштейн и гипотеза эмиссии», Physics in Perspective , 6 (1): 4–28, Bibcode : 2004PhP.....6....4M, doi : 10.1007/s00016-003-0195-6, S2CID  123043585
  11. ^ ab Де Ситтер, Виллем (1913), «О постоянстве скорости света»  , Труды Королевской Нидерландской академии искусств и наук , 16 (1): 395–396
  12. ^ Бергманн, Питер (1976). Введение в теорию относительности . Dover Publications, Inc. стр. 19–20. ISBN 0-486-63282-2. В некоторых случаях мы могли бы наблюдать один и тот же компонент двойной звездной системы одновременно в разных местах, и эти «звезды-призраки» исчезали бы и появлялись снова в ходе своих периодических движений.
  13. ^ Комсток, Дэниел Фрост (1910), «Забытый тип теории относительности»  , Physical Review , 30 (2): 267, Bibcode : 1910PhRvI..30..262., doi : 10.1103/PhysRevSeriesI.30.262
  14. ^ Де Ситтер, Виллем (1913), «Доказательство постоянства скорости света»  , Труды Королевской Нидерландской академии искусств и наук , 15 (2): 1297–1298, Bibcode : 1913KNAB...15.1297D
  15. ^ Тирринг, Ганс (1924), «Über die empirische Grundlage des Prinzips der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit», Zeitschrift für Physik , 31 (1): 133–138, Бибкод : 1925ZPhy...31..133T, doi : 10.1007/BF02980567 , S2CID  121928373.
  16. ^ Садех, Д. (1963). «Экспериментальное доказательство постоянства скорости гамма-лучей с использованием аннигиляции в полете». Physical Review Letters . 10 (7): 271–273. Bibcode : 1963PhRvL..10..271S. doi : 10.1103/PhysRevLett.10.271.
  17. ^ Альвегер, Т.; Нильссон, А.; Кьельман, Дж. (1963). «Прямая земная проверка второго постулата специальной теории относительности». Nature . 197 (4873): 1191. Bibcode :1963Natur.197.1191A. doi : 10.1038/1971191a0 . S2CID  4190242.
  18. ^ Филиппас, ТА; Фокс, Дж. Г. (1964). «Скорость гамма-лучей от движущегося источника». Physical Review . 135 (4B): B1071-1075. Bibcode : 1964PhRv..135.1071F. doi : 10.1103/PhysRev.135.B1071.
  19. ^ Альвегер, Т.; Фарли, Ф. Дж. М.; Кьельман, Дж.; Валлин, Л. (1964), «Проверка второго постулата специальной теории относительности в области ГэВ», Physics Letters , 12 (3): 260–262, Bibcode : 1964PhL....12..260A, doi : 10.1016/0031-9163(64)91095-9.
  20. ^ Саньяк, Жорж (1913), «L'éther lumineuux démontré par l'effet du vent relatif d'éther dans un  interferometre en Rotation Uniforme» [Демонстрация светоносного эфира с помощью интерферометра при равномерном вращении], Comptes Rendus , 157 : 708–710
  21. ^ Саньяк, Жорж (1913), «Sur la preuve de la réalité de l'éther lumineux par l'expérience de l'interférographe Tournant»  [О доказательстве реальности светоносного эфира с помощью эксперимента с вращающимся интерферометром], Комптес Рендус , 157 : 1410–1413.
  22. ^ Мартинес, АА (2004). "Ритц, Эйнштейн и гипотеза эмиссии" (PDF) . Физика в перспективе . 6 (1): 4–28. Bibcode :2004PhP.....6....4M. doi :10.1007/s00016-003-0195-6. S2CID  123043585. Архивировано из оригинала (PDF) 2 сентября 2012 г. . Получено 24 апреля 2012 г. .
  23. ^ Бабкок, GC; Бергман, TG (1964), «Определение постоянства скорости света», Журнал оптического общества Америки , 54 (2): 147–150, Bibcode : 1964JOSA...54..147B, doi : 10.1364/JOSA.54.000147
  24. ^ Майкельсон, АА (1913). «Влияние отражения от движущегося зеркала на скорость света»  . Astrophysical Journal . 37 : 190–193. Bibcode : 1913ApJ....37..190M. doi : 10.1086/141987.
  25. ^ Майорана, К. (1918). «О втором постулате теории относительности: экспериментальная демонстрация постоянства скорости света, отраженного от движущегося зеркала»  . Philosophical Magazine . 35 (206): 163–174. doi :10.1080/14786440208635748.
  26. ^ Майорана, К. (1919). «Экспериментальная демонстрация постоянства скорости света, испускаемого движущимся источником»  . Philosophical Magazine . 37 (217): 145–150. doi :10.1080/14786440108635871.
  27. ^ Бекманн, П.; Мандич, П. (1965). «Проверка постоянства скорости электромагнитного излучения в высоком вакууме». Журнал исследований Национального бюро стандартов, раздел D. 69D ( 4): 623–628. doi : 10.6028/jres.069d.071 .
  28. ^ Робертсон, HP (1949). «Постулат против наблюдения в специальной теории относительности». Reviews of Modern Physics . 21 (3): 378–382. Bibcode :1949RvMP...21..378R. doi : 10.1103/RevModPhys.21.378 .

Внешние ссылки