Аберрация, опыт Физо и другие опыты

Какие же эксперименты не могут быть никак объяснены, кроме привлечения СТО? Начнем с некоторых вспомогательных замечаний. Мы не будем подробно касаться квантовой электродинамики, поскольку ее предсказательная точность мало зависит от точности $(\Delta c/c)\sim 10^{-8}$ (это при движении приемника; при движении же источника скорость света вообще может оставаться постоянной, так же как, например, скорость звука), но никто даже и не пытался считать скорость света не константой.

Явление аберрации прекрасно объясняется классической физикой и определяется следующими двумя принципиальными фактами:
(1) изменением в течение года скорости системы наблюдения, в основном, вследствие орбитального вращения Земли (это состояние - абсолютное и не зависит от скорости прямолинейного движения инерциальной системы или наличия эфира или другой среды), и
(2) прямолинейным распространением луча света между источником и приемником в инерциальных системах (для корпускулярной теории - это следствие инертности движения частиц света, а для волновой теории - это следствие принципа Гюйгенса).

Еще раз напомним, что при "входе" в наш измерительный прибор свет имеет фиксированное направление и частоту (не важна предыстория процесса: движение источника, среды, приемника), и именно с этим "конкретным светом" проводятся все измерения. Опыт Физо не является критическим, так как допускает запись для скорости света в среде

$\begin{displaymath} u = {c(\omega)\over n} \pm v(1 - {1\over n^2}), \end{displaymath}$

а измерения проводились для конкретной фиксированной частоты $\omega$ , то есть не было сопоставления $u(\omega_1)$ и $u(\omega_2)$ , что в опыте Физо сделать невозможно.

Привлечение времени жизни мюонов для доказательства СТО - чистая спекуляция. Создать две инерциальные системы, движущиеся друг относительно друга с релятивистскими скоростями пока не по силам современному человечеству. И не стоит маскировать совершенно другую реальность под такой эксперимент. Время жизни нестабильных частиц должно зависеть от условий их образования (даже стабильное ядро может стать возбужденным или нестабильным, либо может произойти, наоборот, рекомбинация и т.д.), а условия образования мюонов на высоте км при столкновении высокоэнергетических космических лучей с атомами азота и кислорода отличаются от условий их образования в лаборатории. Не говоря о том, что на разных высотах не были измерены даже скорости мюонов, ускорения и интенсивности их потоков. Измерения же, проведенные на ускорителях, скорее свидетельствуют о влиянии ускорений и полей на конкретный процесс распада конкретных частиц.

Гипотеза Ритца

Справедливости ради отметим, что даже баллистическая гипотеза Ритца (по существу это классический закон сложения скоростей для корпускул) не так легко могла бы быть опровергнута в начале 20-го века. Приведем кратко вывод из [28] и дадим некоторые замечания. Время прихода сигнала от звезды - спутника центральной звезды, находящейся на расстоянии , при заходе в тень , а при выходе из тени $t_2 = {T\over 2} + L/(c+v)$ , где - период орбитального движения. Полагая для заметного эффекта (двойная система становится видимой как тройная) , получим . Для диаметра орбиты имеем $D = Tv/\pi$ . Если $\alpha$ - угол наблюдения, то $\alpha\approx\tan\alpha\approx D/L$ , и так как $v\ll c$ , имеем $\alpha = 4v^2/(\pi c^2)$ . Реальные скорости наблюдаемых спутников $v\ll 350$ км/с. В результате,для наблюдения подобного эффекта должно быть $\alpha\ll 2\times 10^{-6}~$ радиан (что превышает точность современных телескопов).

Конечно, этот вывод довольно грубый. В выражении для нужно писать вместо ${T\over 2}$ , где - доля периода, когда спутник находится в тени; всегда $x\ll{1\over 2}$ , что увеличивает предельную точность $\alpha$ . Кроме того, фиксировать с помощью фотографии в настоящее время можно очень короткие промежутки времени (если экспозиция позволяет), то есть можно писать $t_2 - t_1 = {T\over 2} + y$ , где $y\ll T$ , что еще увеличивает предельную точность. Однако, скажем и в оправдание несколько замечаний.
(1) Исследование $t_2\ge t_1$ непродуктивно, так как все наблюдаемые затмения будут периодическими и мы не сможем никак проверить: действительно ли мы наблюдаем тройную (или четверную и т.д.) систему или это только видимость.
(2) В процессе движения спутника по орбите время прихода сигнала в точку наблюдения плавно меняется (реальный объект - спутник и его видимый образ не совпадают), что искажает определение реальной орбиты и величины .
(3) Вследствие того, что свет проходит неоднородную среду (атмосферу, да и космическое пространство) известны явления мерцания и дисперсии. Чтобы сократить их негативное влияние следует наблюдать полные (а не частичные) затмения и желательно с искусственных спутников Земли.
(4) Поскольку нам будет доступна лишь проекция плоскости орбиты, то в общем случае мы не можем гарантированно оценить длину участка тени (Рис. 3.3).

$\begin{figure} \epsfxsize =11.3truecm \epsfbox{dopfig17.eps}\end{figure}$

Рисунок 3.3: Определение участка тени.

Время движения в тени будет различным в зависимости от направления на наблюдателя (на Землю). Следовательно, нужны орбиты с симметричной ориентацией, и точность определения "плеч" проекции орбиты и размеров обоих тел накладывает ограничения на (расчетную) точность определения времени прихода сигналов.
(5) Выше уже говорилось, что не существует абстрактной скорости света, а будут наблюдаться конкретные величины $c(\omega_1[v>)$ и $c(\omega_2[-v>)$ . Следовательно точность определения частот $(\Delta\omega/\omega_0)$ накладывает ограничения на теоретическую оценку точности $(\Delta c/c_0)$ и, соответственно, на $(\Delta t/t)$ .

Самое принципиальное замечание следующее.
(6) Свет определенной частоты $\omega_0$ излучает не объект, движущийся как целое со скоростью ${\bf v}$ , а хаотически движущиеся с тепловыми скоростями частицы. Следовательно, определить задержку расчетного времени от скорости объекта как целого невозможно, пользуясь любыми характерными в микромасштабах частотами (линиями излучения). Только если у спутника график спектральной интенсивности $I(\omega)$ имеет некоторую характерную форму (например, максимум $I_{max}(\omega_1)$ ) и если он идентифицируемо отличается (по форме) от графика спектральной интенсивности основной звезды, то наблюдение за изменением спектральной интенсивности $I(\omega,t)$ на выделенной плавающей (!) частоте $\omega_1(t)$ (которая соответствует максимуму $I_{max}(\omega_1(t))$ ) могло бы доказать или опровергнуть баллистическую гипотезу Ритца.

Насколько известно автору, в таком ключе детального анализа астрономических данных не проводилось. Однако, защита или развитие гипотезы Ритца не является целью настоящей книги.

Опыт Саньяка

Прямым доказательством непостоянства скорости света $c\ne constant$ (и косвенным свидетельством классического закона сложения скоростей для света) является опыт Саньяка. Напомним его суть: по краю вращающегося с угловой частотой $\Omega$ диска были установлены четыре зеркала (точнее три зеркала и одна пластина - см. Рис. 3.4).

$\begin{figure}\begin{center}\epsfxsize =10truecm \epsfbox{dopfig18.eps}\end{center}\end{figure}$

Рисунок 3.4: Опыт Саньяка.

Луч света разбивался (пластиной ) на два луча, один из которых двигался против часовой стрелки (по направлению вращения), а другой - по часовой стрелке. При встрече лучей возникала интерференционная картина. Смещение полос (за счет разницы во времени прихода сигналов) оказалось равным: $\Delta z = 8\Omega r^2/(c\lambda)$ . Очевидно, что неинерциальный характер вращения системы с частотой $\Omega$ не является здесь определяющим моментом: никто еще не видел в вакууме искривленного света (между двумя отражениями луч света движется прямолинейно). Тем не менее рассмотрим следующий мысленный эксперимент. Представим себе, что радиус диска стремится к бесконечности $r\rightarrow\infty$ , но так, чтобы величина $\Omega r = v$ оставалась постоянной. Тогда имеем $\Omega\rightarrow 0$ . Следовательно, величина ускорения $\Omega^2r$ будет стремиться к нулю. Выберем такой радиус , чтобы ускорение было намного меньше любой наперед заданной величины (например, существующей экспериментальной точности). Тогда никто не сможет отличить эту "почти инерциальную" систему от инерциальной. Если при этом увеличивать число равноудаленных зеркал ( $N\rightarrow\infty$ ), то прямые линии (световые лучи) между зеркалами будут приближаться к окружности диска. В результате имеем выражение для смещения полос: $\Delta z = \alpha Lv/c$ , где $\alpha$ - константа для выбранного света ( $\lambda$ ), - длина окружности. Вследствие очевидной симметрии эксперимента эффект будет аддитивен по , и его величину можно отнести к единице длины. "Кумулятивный" эффект ускорения для выбранного прямолинейного участка может быть сделан меньше любой наперед заданной величины. Таким образом, для величины смещения полос имеем: $\Delta z \sim v/c$ (некоторые изменения $\Omega$ приводят к соответствующим изменениям , так как $v=\Omega r$ - конечная величина). Следовательно, время распространения сигнала линейно зависит от скорости движения системы, то есть $c\ne constant$ .

О бедном эфире замолвите слово

Сделаем вспомогательное замечание по поводу эфира. Откровенно говоря, выдумывание помимо "абсолютной пустоты" (без физических свойств) других понятий типа "физический вакуум" (обладающего физическими свойствами) несправедливо по отношению ко многим предшествующим исследователям (плагиат), так как для подобных понятий уже есть термин - "эфир". Только перед эфиром была поставлена задача: сразу объяснить на простой и наглядной модели все опыты или "удалиться со сцены". Дальнейшее развитие физики ввело иную практику (вспомним дуализм света, квантовую механику и др.): противоречивые свойства физических объектов или явлений просто стали постулировать как факт без объяснения и реальной наглядной модели. Например, имеется модель двухкомпонентной жидкости для описания противоречивых свойств сверхтекучего гелия (течение без вязкости через капилляр и наличие вязкости при вращении). Реальность далека от модели, но модель работает (полезная). И только от теории эфира релятивисты требовали большего. Хотя на самом деле для всех моделей эфира, объявленных релятивистами нереальными, существовали аналогии, действующие в природе (а чего казалось бы требовать большего от модели?). Например, нет ничего удивительного в том, что скорость света может оставаться одинаковой при изменении плотности эфира: скорость звука в воздухе при

тоже не зависит от плотности воздуха. Нет ничего противоестественного и в том, что плотность эфира может существенно (всего в 60000 раз) увеличиться вблизи поверхности Земли по сравнению с космосом: плотность атмосферы увеличивается на много порядков больше. Модель Стокса - это модель без атмосферы. Математические трудности модели (предположение безвихревого несжимаемого движения) совершенно ни при чем: реальное, описывающее природу, решение может оказаться близким к найденному Стоксом (просто истинное строгое решение нелинейного уравнения в частных производных без упрощений найти математически гораздо сложнее). Справедливости ради отметим, что в настоящее время существуют довольно развитые концепции эфира (например, [1,8]).

Перейдем теперь к другим конкретным вопросам и дадим краткие комментарии к некоторым известным экспериментам. Аберрация в пустом пространстве без СТО была проанализирована выше как с точки зрения корпускулярной, так и волновой теории. Результат будет аналогичным и с точки зрения теории неподвижного эфира. Полное увлечение эфира средой непонятно при постепенном уменьшении плотности среды (например, в газах). Поэтому гипотезу полного увлечения эфира никто всерьез (кроме релятивистов) не обсуждал. Еще Френель ввел коэффициент, показывающий, что в оптически прозрачных средах можно предполагать лишь частичное увлечение эфира. Оно практически (с достигнутой точностью) не меняет аберрацию при заполнении трубы водой, что было показано самим Френелем (заметим, что при невертикальном наблюдении нужно учитывать угол преломления лучей в средах заполнения). Единственный случай, когда правомерно обсуждать гипотезу полного увлечения эфира - это для оптически непрозрачных сред (металлов). Может это интуитивно чувствовал Герц, когда с самого начала отказался рассматривать оптические явления с точки зрения своей электродинамики (поэтому неправомерно применение релятивистами его теории для диэлектриков с целью дискредитации).

Опыт Троутона и Нобля не противоречит принципу относительности Галилея в пустом пространстве. Вообще говоря, все опыты с диэлектриками не противоречат принципу относительности Галилея, так как часть пути свет (вернее поле) проходит в пустоте между атомами, а другую часть пути свет поглощается и переизлучается атомами. Для теории частично увлекаемого эфира (если нет металлической экранировки) всегда можно с практической точностью определить коэффициент увлечения Френеля, подтверждающийся для опытов и первого и второго порядка. Опыт Роуланда фактически доказал, что с точки зрения теории эфира - эфир полностью увлекается металлом, а с точки зрения принципа относительности Галилея опыт доказал эквивалентность движущихся зарядов току. В опытах (Рентгена) Эйхенвальда и Вильсона фактически получен Френелевский коэффициент увлечения в диэлектриках.

Опыт Кеннеди-Торндайка

Интерферометр Кеннеди-Торндайка отличался от интерферометра Майкельсона только тем, что длины перпендикулярных плеч сразу были выбраны неравными. Однако, для интерференционной картины важна только разница хода лучей по отношению к длине волны используемого света (доля от длины волны). Кроме того, точность измерения длин плеч интерферометра (например, интерферометра Майкельсона) всегда меньше длины волны используемого света. Следовательно, вопреки мнению [37], опыт Кеннеди-Торндайка принципиально ничем не отличается от опыта Майкельсона-Морли. Поэтому все замечания, указанные для опыта Майкельсона ранее, будут общими для обоих этих опытов. Если исходить из целей эксперимента (об обнаружении влияния движения системы интерферометра на скорость света), то оценка авторов $v\le 15$ км/с более адекватна, чем заявляемая в учебниках, хотя тоже неверна (см. ниже). Большая стабильность по температуре, начиная с некоторого предела, не играет роли, так как при любой ( $T\ne 0$ ) всегда существуют температурные флуктуации и колебания кристаллической решетки базы. Самое главное, различные скорости света $c(\omega)$ (единственное возможное отличие - смотри выше) не сравнивались для разных частот $\omega$ , что и невозможно было сделать в подобном опыте. Кроме того, для пустого пространства остаются в силе все классические рассуждения для инерциальных систем, то есть соблюдается принцип относительности Галилея [47]. Общее замечание об металлической экранировке для эфирной модели применимо и к этому опыту. Таким образом, даже к обнаружению движения Земли все перечисленные опыты не имеют отношения.

Опыт Айвса-Стилуэла

Перейдем теперь к опыту Айвса-Стилуэла. Заметим, что сам Айвс был противником СТО и объяснял опыт с позиций эфира (значит так тоже можно интерпретировать). Вообще, для СТО характерно "валить" все в свою "кучу" (вероятно, чтобы солиднее выглядеть) или "повязать" СТО со всеми теориями (даже не до конца проверенными), делая вид, что если СТО "потонет", то и "вся наука потонет". Вообще говоря, в отличие от элементарной теории эффекта Допплера, определение частотной зависимости в произвольной конфигурации - прерогатива опыта (и приплетать сюда дополнительную гипотезу о времени - большая натяжка). Фактически, опыты Айвса-Стилуэла даже в идеале (если пренебречь реальными особенностями процесса) определяли бы не поперечный эффект Допплера, а эффект Допплера для двух направлений, близких к $0^{\circ}$ и $180^{\circ}$ , то есть эффекты, близкие к продольным. Эти опыты являются косвенными, так как величина (якобы релятивистской) поправки - вычисляемая величина (кроме того, сравниваемая от разных областей, что приводит к дополнительной асимметрии). Опыты [22] показали существенные систематические отклонения от релятивистского выражения (до 60 $\pm$ 10 $\%$ ). Следовательно, эффект может определяться не столько Допплеровским выражением, сколько особенностью реакций в пучках. Кроме упоминания других альтернативных опытных данных [22,118], дадим некоторую критику рассматриваемого эксперимента. Релятивисты описывают эксперимент так, будто поперечный эффект Допплера воспринимается от одной точки установки в определенный момент времени (момент пролета серединного перпендикуляра). На самом деле воспринимаемый сигнал - это интегральная сумма от разных областей излучения за разное время, да еще и не перпендикулярных движению (куда, например, делась аберрация?), то есть изучаемый эффект представляет собой некоторое "сложное среднее" между двумя продольными эффектами Допплера. Кроме того, теория в СТО (и формулы) приводятся для плоскопараллельных волн, а фактически на этих расстояниях мы имеем точечные источники (сферические волны). В результате будет наблюдаться смещение в красную область (больше время действия такой смещенной частоты) и эффект должен зависеть от расстояния до точки наблюдения. Да и кто сказал, что для света должен наблюдаться классический эффект Допплера? Ведь эффект имеет классический вид только в случае чисто волнового движения. Если же свет - это не совсем волна, то можно получить иные выражения, в том числе и релятивистские [59]. Таким образом, данный опыт тоже не может быть безоговорочно отнесен к опытам, подтверждающим релятивистское замедление времени в СТО.

Некоторые релятивисты [37,106] выделяют три ключевых опыта (Майкельсона, Кеннеди-Торндайка и Айвса-Стилуэла), которые якобы с однозначностью приводят к преобразованиям Лоренца (база для СТО). Однако, мы видим, что все три эксперимента не являются доказательными. СТО "повисает в пустоте" даже с экспериментальной точки зрения.