Теория относительности — мистификация ХХ века

Секерин Владимир Ильич

4. Астрономические наблюдения и лабораторные эксперименты, подтверждающие классический закон сложения скоростей для света

 

 

4.1. Наблюдения Олафа Рёмера

Природа облегчила нам проведение так необходимого эксперимента, предоставила модулированный источник света и движущуюся платформу.

В 1676 г. в Парижской обсерватории датский астроном О. Рёмер, наблюдая за планетой Юпитер и его спутниками, заметил, что время полного обращения спутника Ио вокруг Юпитера, определяемое по моменту выхода (или входа) спутника из тени Юпитера, периодически изменяется. Периодичность оказалась связанной с движением Земли по орбите вокруг Солнца [5, с. 414].

В момент максимального сближения Земли с Юпитером (рис. 4), в положении I, период Ио — Т1 = 1,77 суток = 1,5·105 сек.

Рис. 4

При движении Земли к положению II период Т1 начинает увеличиваться и достигает своего максимума T2 в положении II, после чего уменьшается и становится опять равным Т1 в положении III, т. е. Т1 = Т3. Но уменьшение здесь не заканчивается, а продолжается до положения IV, где период Т4 приобретает минимальное значение. Затем происходит его увеличение до величины в первоначальном положении I. Максимальное приращение периода Ио ΔТ2 = 15 с, примерно такое же и максимальное уменьшение — ΔТ4 = 15с. Во всех остальных промежуточных положениях Земли на орбите изменения периода Ио пропорциональны составляющей скорости Земли относительно Юпитера по прямой Земля-Юпитер. Период увеличивается, если Земля удаляется от Юпитера, и уменьшается при приближении к Юпитеру. Так как угловая скорость обращения Юпитера вокруг Солнца много меньше угловой скорости Земли (год Юпитера равен почти 12 земным годам), то в течение года взаимное положение Земли и Юпитера меняется незначительно и не оказывает заметного влияния на описываемый эффект.

Сравнивая два наблюдения периодов Ио в точках I и III, О. Рёмер увидел, что периоды их равны, но начало периода в положении III опаздывает, по его измерениям, на 22 мин по сравнению со случаем, если бы продолжительность периодов не менялась в течение времени между наблюдениями. Астроном определил, что запаздывание начала периода Ио в точке III вызвано тем, что свет от спутника должен пройти до наблюдателя дополнительное расстояние, равное диаметру земной орбиты. Делением данного расстояния на время опоздания Рёмер впервые в мире вычислил скорость света.

Рассмотрим теперь периоды в положениях II и IV. Первый из них больше первоначального на 15 с, второй — на столько же меньше. Изменение длительности периодов показывает, что свет имеет разные величины своей скорости относительно наблюдателя в зависимости от условий регистрации.

Действительно, спутник Ио отражает свет в течение времени Т и образует в пространстве поток света протяженностью λ = сТ, где с — скорость света в системе Юпитера, Т — время обращения спутника Ио вокруг Юпитера. λ — это звено, которое состоит из двух частей: а — Ио находится в освещенном месте, б — имеется разрыв в потоке света, Ио в тени Юпитера, а Земля в нашем эксперименте — платформа.

В положении I Земля неподвижна относительно Юпитера по прямой Земля-Юпитер. Звено λ, преодолев расстояние от Юпитера до Земли, регистрируется наблюдателем на Земле в течение периода:

т. е. в продолжение того же промежутка времени, Т1 = Т. То же самое происходит в положении III, только здесь начало времени регистрации периода, как это наблюдается, происходит с задержкой в силу того, что звену λ необходимо время для преодоления дополнительного расстояния по диаметру орбиты Земли: Т3 = Т.

В положении II Земля удаляется от Юпитера, звено λ догоняет Землю и по закону сложения скоростей скорость света относительно Земли равна с2 = с – v3, а время регистрации звена λ равно

где v3 = 29,8 км/с — скорость Земли по орбите.

Через полгода Земля движется навстречу потоку света, скорость которого для наблюдателя теперь равна с4 = с + v3, а время регистрации звена λ

Так как в (11) и (12) протяженность звена λ одна и та же, то, перенеся λ в левую часть уравнений, правые приравниваем между собой:

Преобразовав равенство (13) относительно с, находим:

Подставив в последнее выражение численные значения наблюдаемых периодов и скорость движения Земли по орбите, вновь вычисляем скорость света относительно источника:

Проведенный способ вычисления скорости света возможен только потому, что открытое О. Рёмером явление и результаты его измерений точно соответствуют результатам нашего планируемого эксперимента с движущейся платформой, которыми подтверждается классический закон сложения скоростей для света.

 

4.2. Эффект Рёмера

Известно, что любой поток света как часть электромагнитного излучения не является строго однородным. Поток состоит из отдельных периодических структур, в которых при движении электрическое и магнитное поля для наблюдателя изменяются по синусоидальному закону наиболее характерному для волн, например, звуковых. Вследствие этого данные структуры названы электромагнитными «волнами». Волнами, по определению, называется процесс распространения какого-либо возмущения в среде. Но до сих пор не обнаружена среда (эфир, «физический вакуум»), в которой распространялось бы возмущение, называемое электромагнитными «волнами». Более того, имеется много доказательств, что такой среды и быть не может, поэтому наблюдаемые неоднородности представляют собой естественные звенья светового потока, упорядоченные структуры фотонов, движущиеся в пространстве и воспринимаемые нами иногда как волны. Тот факт, что мы имеем дело не с волнами, а с упорядоченной структурой фотонов, подтверждается многочисленными лабораторными опытами по измерению характеристик светового потока при относительном движении источника и приемника. Эти результаты аналогичны измерениям звеньев света на движущейся платформе и совсем не похожи на результаты измерений частот и длин волн в средах.

Проявление закона сложения скоростей в изменении времени прохождения звена света, которое впервые наблюдал О. Рёмер, свойственно всем периодическим электромагнитным структурам. В настоящее время данное явление называется эффектом Доплера. Это ошибка, его следует называть эффектом Рёмера, потому что эффект Доплера никакого отношения к электромагнитному излучению не имеет. Оба явления, эффект Рёмера и эффект Доплера, несмотря на то, что их математические описания частично совпадают, совершенно разные явления.

Эффект Доплера относится к распространению волн в средах, имеет четыре варианта изменения скорости, частоты и длины волны при взаимном инерциальном движении источника, приемника и среды, в которой распространяются волны. Первый вариант — приемник неподвижен относительно среды, движется излучатель; второй — излучатель неподвижен в среде, движется приемник; третий — излучатель и приемник вместе движутся относительно среды и, наконец, четвертый вариант — излучатель и приемник с разными скоростями движутся относительно среды. Но во всех случаях скорость волн изменяется относительно того объекта, излучателя или приемника, который движется относительно среды. Только относительно среды скорость волн остается постоянной. При движении источника в среде длины волн изменяются реально.

Эффект Рёмера описывает распространение периодической структуры электромагнитного излучения, звеньев, в вакууме, пустом пространстве, в отсутствии какой либо среды, — эфира, «поля», «физического вакуума» и т. д., влияющей на движение электромагнитного излучения, и имеет только один вариант, взаимное инерциальное движение источника и приемника. При этом не существенно, что считается неподвижным, источник или приемник, сам эффект и его математическое описание в системе приемника остаются одинаковыми. В эффекте Рёмера длина звена не изменяется, кажущееся изменение вызвано способом нашего измерения длины звена.

Оставим для обозначения пространственных размеров естественного звена символ λ, принятый в настоящее время для длины так называемой электромагнитной «волны». В измерительной установке Физо, так же как и в электромагнитном излучении, звенья в каждом конкретном случае равны между собой, что позволяет ввести еще одну величину, характеризующую световой поток:

где ν — количество или частота прохода звеньев в системе наблюдателя за единичный интервал времени. Теперь имеем:

а выражения (2) — (9) в этом случае приобретают следующий вид.

а) Источник удаляется от наблюдателя, скорость света относительно него равна с – v. Звенья λ проходят в его системе с частотой

Частота уменьшается на величину

Если бы частота звеньев оставалась первоначальной, то согласно способу нашего измерения каждое звено имело бы длину

Звено в этом случае становится «длиннее» на величину

б) Источник приближается к наблюдателю, скорость света в его системе равна с + v, частота прохода звеньев увеличивается, а длина звена «уменьшается», т. е. имеем

Выражения (17) и (21), показывают, что величина изменения частоты звена зависит только от скорости света относительно приемника, а из (19) и (23) следует, что величины изменения длины звена зависят от способа измерения. Это есть многократно проверенный практикой эффект О. Рёмера.

 

4.3. Звездная аберрация

В 1727 г. астроном Д. Бредли открыл явление звездной аберрации, которое заключается в том, что все звезды в течение года описывают на небесной сфере эллипсы с большой полуосью, наблюдаемой с Земли под углом α = 20,5». Аберрация обусловлена движением Земли по орбите вокруг Солнца со скоростью v = 29,8 км/с (рис. 5).

Рис. 5

Чтобы с движущейся Земли наблюдать звезду, необходимо наклонить трубу телескопа вперед по движению, так как за время, пока свет проходит трубу, окуляр вместе с Землей передвинется вперед. (Это точная аналогия движения, например, капли дождя в движущемся вагоне, попадающей через отверстие в крыше, если пренебречь сопротивлением воздуха). Очевидно, что v / c = tg α, при малом α tg α = α. Измерив угол α = 20,3» и используя правило расчета сложения скорости света со скоростью источника c = v / tg α, Бредли довольно точно вычислил скорость света [3, с. 262].

Скорость света относительно звезды — излучателя, равна с, а в системе Земли — приемника, движущегося со скоростью v перпендикулярно направлению движения света, равна с1 и находится по формуле

Угол α называется постоянной аберрации и обозначается буквой k. Указанная величина звездной аберрации с учетом постулата c = const считается величиной постоянной. В 1964 г. постоянная аберрации принята Международным Астрономическим Союзом k = 20,496″. До этого времени «по международному соглашению k = 20,47″». Если принять во внимание что средняя скорость Земли по орбите v = 29,765 км/с, а справочная величина скорости света с = 299792,5 км/с, то постоянная аберрации должна иметь величину k = (v/c)·206265″ = 20,479″.

На самом деле величина аберрации для различных звезд разная.

Известно, что некоторые звезды во Вселенной движутся со значительными скоростями относительно Солнечной системы. Свет от звезд, которые приближаются к нам или удаляются от нас со скоростью порядка 300 км/с, изменяет свою скорость на Земле на такую же величину. Величина аберрации этих звезд тоже изменяется до минус или плюс 0,02″, что значительно превышает современную разрешающую способность приборов в определении положения звезд (0,001″).

Разнобой в измерениях величины аберрации связан не только с неравномерностью движения Земли по орбите и техническими сложностями, но и с ошибочным представлением о скорости света.

 

4.4. Поперечный эффект Рёмера

Одним из следствий теории относительности, которое, якобы, не может быть объяснено классической физикой, является поперечный эффект Рёмера (Доплера). Эффект состоит в том, что частота света — ν1, регистрируемая в поперечном направлении к направлению движения источника, уменьшается и равна

где ν — частота излучаемого света, β = v/c; v — скорость движения источника, с — скорость света относительно источника.

На рис. 6 изображена схема опыта, проведенного в 1938 г Г. Айвсом и Д. Стиллуэлом. Н — поток каналовых лучей (возбужденных атомов водорода) движущихся со скоростью v ~ 108 см/сек вдоль экрана, Э — экран, О — оптическая ось спектрографа, Сп — спектрограф. В данном эксперименте длина волны, зарегистрированная спектрографом, уменьшилась на величину δλ = 0,0468 Å, весьма близкую к предсказанной теоретически [6].

Рис. 6

Внимательное рассмотрение проведенного эксперимента позволяет дать иное, чисто классическое, объяснение измеренным характеристикам света.

На основании опытных данных и астрономических наблюдений выше (раздел 4) показано, что движение света подчиняется классическому закону сложения скоростей.

Приведено описание понятия света, корпускулярные и волновые свойства которого в современном понимании определяют свет как поток упорядоченной структуры фотонов, каждый из которых содержит электрическое и магнитное поля. Характерный размер структуры потока λ — звено. Поток, состоящий из звеньев, при движении ведет себя в некоторых случаях подобно волне и может быть описан соответствующими уравнениями.

Рис. 7

В опыте Айвса, рис. 7, возбужденные атомы водорода, пролетая мимо отверстия в экране, излучают фотоны во всевозможных направлениях, в том числе и в перпендикулярном своему движению. Но эти фотоны из-за аберрации света в спектрограф попасть не могут. По правилу векторного сложения скоростей они отклоняются от оптической оси прибора на угол α из условия tg α = v/c.

По оптической же оси спектрографа распространяются только те фотоны, которые вылетают из потока возбужденных атомов водорода под углом минус φ к перпендикуляру направления своего движения, где φ=arcsin (v/c), рис. 8.

Рис. 8

Скорость данных фотонов относительно спектрографа

По формулам (15) и (16) регистрируемая в этом случае частота света

Раскрывая c2 через c и v, находим

При расположении спектрографа под любым углом к направлению движения атомов водорода указанный эффект относится к перпендикулярной составляющей скорости света относительно оптической оси спектрографа.

 

4.5. Двойные звезды

Наиболее последовательная теория электродинамики, в которой отвергается постулат постоянства скорости света, была опубликована австрийским ученым В. Ритцем в 1908 г [7]. Впоследствии эту теорию стали именовать «баллистической», потому что при ее изложении испускание света сравнивалось с выпускаемыми движущимся орудием снарядами.

В 1913 г де-Ситтером [8] были приведены рассуждения о наблюдениях двойных звезд, которые якобы опровергают классический закон сложения скорости света и которые до сих пор в учебниках и справочниках по физике являются самым весомым доказательством истинности с = const.

Содержание рассуждений заключено в следующем: «…представим себе звезду на расстоянии L от наблюдателя, одна из компонент которой S имеет период обращения T и линейную скорость движения v (рис. 9).

Рис. 9

Если баллистическая гипотеза справедлива, то свет от компоненты S в положении I дойдет до наблюдателя к моменту 

 а в положении II — к моменту

где

полупериод обращения.

Таким образом, наблюдаемое движение звезды может заметно отступать от законов Кеплера. В частности, при очень большом L возможно, что даже при v << c получится t2 < t1, т. е. видимое движение приобретает весьма прихотливый характер. Рассмотрение достаточного количества звезд показывает, что такое следствие баллистической гипотезы противоречит наблюдению и что, следовательно, гипотеза Ритца должна быть отставлена» [9, с. 452].

Однако, продолжив начатые выше рассуждения, приходим к выводу, что существующие в движении визуально двойных звезд отступления от законов Кеплера в результате сложения скоростей настолько малы, что не могут быть зафиксированы имеющимися на сегодня приборами. Чтобы показать это, найдем угол α между изображениями звезды S в точках I и II при условии t1 = t2, или

откуда следует

От точки I до точки II, расстояние между которыми равно диаметру орбиты Д, звезда перемещается за время Т/2, что позволяет записать:

При условии Д <<< L угол α равен tg α, то есть,

Подставляя в (31) значения L и Д из (29) и (30) и учитывая, что v << с, находим

Известно, что скорость визуально двойных звезд по орбитам гораздо меньше скорости в 350 км/с, которая необходима для того, чтобы угол α составил 2·10-6 рад — границу разрешающей способности современных телескопов. Поэтому тригонометрические измерения не позволяют опровергнуть гипотезу И. Ньютона и В. Ритца.

 

4.6. Измерение расстояния до двойных звезд

Однако закон сложения скорости света со скоростью источника, доказанный наблюдениями О. Рёмера, в двойных звездах проявляется изменением блеска звезды S. Переменная скорость движения звезды относительно Земли приводит к переменной скорости света от нее с одновременным, согласно эффекту Рёмера, изменением частоты излучения и изменению наблюдаемой интенсивности излучения звезды.

Для рассмотрения характера этого явления построим в координатах L и t траектории света, идущего от звезды S, которая движется по круговой орбите (рис. 10). Скорость света звезды относительно Земли c1 = c + v sin ωt. В определенные моменты периода звезды на некотором расстоянии от нее, свет более «быстрый» для наблюдателя догоняет свет более «медленный» и фиксируется наблюдателем одновременно.

Рис. 10

Расстояние между соседними траекториями при L = 0 равно Δt. При удалении от звезды расстояние изменяется, его обозначим Δτ.

В — интенсивность излучения звезды S, она — постоянна, поэтому в каждом интервале периода Δt = Т/n (n — произвольное число) звезда излучает равное количество энергии. На некотором расстоянии от звезды этот интервал может остаться прежним, но может уменьшиться или увеличиться, в зависимости от того, какую скорость имеет вышедший позднее свет в системе наблюдателя. Если он догоняет впереди ушедший, то интервал сжимается, мощность излучения увеличивается, блеск звезды растет. И наоборот, при увеличении интервала — блеск звезды падает.

Величина В [Δt/Δτ] — представляет собой наблюдаемый блеск звезды, находящейся на расстоянии L1, или сумма

если свет приходит одновременно из нескольких областей её орбиты. Расстояние L = Тс2/4v обозначим Л0 и примем его условной единицей измерения расстояния до данной звезды, Л0 — расстояние до наблюдателя, при котором свет приходит к нему одновременно из точек I и II орбиты, при определенных Т и v. Подобными характеристиками обладают так называемые переменные «пульсирующие» звезды — цефеиды, которые, по нашему мнению, являются двойными звездами, где светится только одна из них. Это предположение было высказано в начале ХХ века [10, с. 11].

Эффект изменения блеска, вызванный законом сложения скоростей от движущегося источника, наблюдается и у спектрально двойных звезд. Он имеет некоторые особенности. Компоненты этих звезд сравнимы между собой по интенсивности, поэтому изменение блеска у них выражено слабее, так как уменьшение блеска одной звезды компенсируется увеличением в это же время блеска другой. Однако компенсации не подвержено изменение интенсивности спектральных линий каждой звезды, что наблюдается уверенно [11, с. 199].

Одновременное наблюдение величин изменения блеска и смещения спектральных линий у переменных «пульсирующих» и спектрально двойных звезд позволяет определить, кроме параметров их движений по орбитам, еще и расстояние до этих объектов от Земли (см. рис. 11). Наши вычисления показывают, что, например, переменная звезда цефеида δ Cephei (параметры: изменение блеска составляет 0,7 звездной величины, период — 5,37 дня) находится на расстоянии 28 световых лет от Солнечной системы; цефеида RTAurigae (параметры: изменение блеска 0,8 звездной величины, период 3,73 дня) на расстоянии — 25 световых лет; цефеида η Aquilae (параметры: изменение блеска 1,2 звездной величины, период 7,18 дня) на расстоянии — 65 световых лет. Это существенно отличается от современного представления о расстояниях до данных объектов.

Рис. 11

а) — Л=0,25Л0 , б) — Л=Л0 и в) — Л=1,5Л. Верхняя кривая каждого рисунка — блеск переменной (двойной), выраженный в звездных величинах (по каждой ветви отдельно, без предварительного суммирования). Нижняя кривая каждого рисунка — лучевые скорости света, приходящего от переменной (двойной). (Вычисления и графика выполнены М. С. Сербуленко).

 

4.7. Измерение скорости света Солнца

В конце 40-х гг. ХХ века, во время подготовки в СССР дискуссии о сущности теории относительности, С. И. Вавиловым, президентом АН СССР, было решено поставить лабораторный опыт по проверке достоверности постулата с = const. В качестве движущегося источника предполагалось использовать каналовые лучи, быстро движущиеся возбужденные атомы и молекулы, в частности, водорода. Но внезапная кончина Вавилова и возникшие в связи с этим организационные трудности, а также техническое несовершенство имевшейся на тот момент аппаратуры, трансформировали намечавшийся эксперимент на тот, который был выполнен под руководством Бонч-Бруевича [12]. Качественная сторона опыта не отвечает поставленной задаче. Движущимся источником были края вращающегося Солнца, линейная скорость которых равна 2 км/с. Проводилось поочередное сравнение скорости света от краев Солнца, приближающегося к наблюдателю и удаляющегося от него.

Итак, скорость света с = 3·108 км/с., искомая величина 2 км/с составляет 0,001% от измеряемой и «замаскирована» тем, что излучающая поверхность Солнца состоит из движущихся жидкостных и газовых потоков, имеющих скорость гораздо большую, чем 2 км/с.. Кроме того, база, на которой проводились измерения, находилась в атмосфере Земли, имеющей переменную оптическую плотность и вносящей существенную ошибку в измерения. По условиям проведения в этих опытах были повышенные ошибки измерения. Для сравнения можно указать, что наиболее точные лабораторные измерения скорости света, выполненные в 1926 г. Майкельсоном, при ошибке плюс/минус 4 км/сек имели разброс результатов в 60 км/с [13, с. 67].

Поэтому не удивительно, что авторы описываемого эксперимента, изменения скорости света в 2 км/с не обнаружили. А наблюдаемые в некоторых сериях измерений отклонения скорости света в сотни км/с, которые, вероятно, были вызваны излучением выбросов солнечного вещества, считаясь ошибочными, не учитывались.

 

4.8. Радиолокация Венеры

В ХХ столетии, когда стало возможным проводить точную межпланетную радиолокацию, были проведены опыты по определению расстояния до Венеры, в которых кроме двух американских обсерваторий (Массачусетская станция и станция в Пуэрто-Рико) участвовала и Крымская обсерватория АН СССР. В июне 1964 г. было установлено, что задержка сигнала в СССР всегда оказывалась меньше, чем в Америке. Разница в 5 раз превышала возможные ошибки измерения. Анализ, проведенный Б.Уоллесом [14], показал, что на скорость прохождения сигнала накладывалась окружная скорость вращения Земли. В то время как в Крыму последняя была направлена навстречу сигналам с Венеры, в США она имела обратное направление, т. е. «относительная скорость света в пространстве составляет c + v, а не с».

Эти измерения имеют большую научную ценность, однако Крымская обсерватория от дальнейшего участия в работе отказалась и ее подпись в результатах измерений не фигурирует.

 

4.9. Корпускулярная модель света

В описанных выше экспериментах и наблюдениях доказано, что движение объекта природы, называемого светом, как и всех остальных объектов природы, подчиняется классическому закону сложения скоростей. Изучены и другие его свойства, по которым можно и нужно построить приблизительную модель, согласующуюся с этими свойствами. Её основой должна быть корпускулярная модель света И.Ньютона, подтвержденная позднейшими открытиями: явлением внешнего фотоэффекта, при котором под действием света происходит вырывание электронов из вещества, и явлением Комптона, состоящее во взаимодействии электромагнитного излучения со свободными электронами. Убедительным доказательством того, что излучение состоит из направленно распространяющихся фотонов, являются приборы вынужденного излучения: лазеры, мазеры и др., в которых в случае распределения энергии по сферической поверхности, светимость всегда определялась бы геометрическими параметрами излучателя. Существование направленного вынужденного излучения показывает, что частицы (атомы, молекулы) излучают фотоны (кванты) только в определенных направлениях.

По нашим представлениям поток света состоит из фотонов, характерный размер структуры потока λ — звено. Его можно представить как непрерывную последовательность двойных зарядов: двух электрических, положительного и отрицательного, и двух магнитных — также положительного и отрицательного. Заряды находятся в двух центрах, расстояние между которыми λ/2 (рис. 12).

Рис. 12

В первом центре расположены положительные заряды электрический и магнитный во взаимно перпендикулярном направлении, поэтому напряженности электрического и магнитного полей тоже находятся во взаимно перпендикулярном направлении в плоскости перпендикулярной направлению движения (рис. 13) и (рис. 14).

Рис. 13

Диаграмма напряженности электрического Е и магнитного Н полей и потоке фотонов в плоскости уz точки А (а) и точки В (в)