Теория эмиссии (относительность)

Эта статья о эмиссионной теории относительности. О теории эмиссии зрения см. Теория эмиссии (видение) .

Теория эмиссии , также называемая теорией эмиттера или баллистической теорией света , была теорией, конкурирующей со специальной теорией относительности , объясняющей результаты эксперимента Майкельсона-Морли 1887 года. Теории эмиссии подчиняются принципу относительности , не имея предпочтительной системы координат для света. передачи, но скажем, что свет излучается со скоростью «c» относительно его источника вместо применения постулата инвариантности. Таким образом, теория эмиттера сочетает в себе электродинамику и механику с простой теорией Ньютона. Хотя сторонники этой теории все еще существуют за пределами научного мейнстрима, большинство ученых считают эту теорию окончательно дискредитированной.

История

Основная статья: баллистическая теория Ритца

Имя, которое чаще всего ассоциируется с теорией эмиссии, — Исаак Ньютон . В своей корпускулярной теории Ньютон визуализировал световые «частицы», выбрасываемые из горячих тел с номинальной скоростью c по отношению к излучающему объекту и подчиняющиеся обычным законам ньютоновской механики, и тогда мы ожидаем, что свет будет двигаться к нам со скоростью скорость, которая компенсируется скоростью удаленного излучателя ( c ± v ).

В 20 веке специальную теорию относительности создал Альберт Эйнштейн , чтобы разрешить очевидный конфликт между электродинамикой и принципом относительности . Геометрическая простота теории была убедительной, и к 1911 году большинство учёных приняли теорию относительности. Однако некоторые учёные отвергли второй основной постулат относительности: постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчёта . Поэтому были предложены различные типы теорий излучения, в которых скорость света зависит от скорости источника, а используется преобразование Галилея вместо преобразования Лоренца . Все они могут объяснить отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли , поскольку скорость света постоянна относительно интерферометра во всех системах отсчета. Некоторые из этих теорий были:

• Свет сохраняет на всем своем пути составляющую скорости, которую он получил от своего первоначального движущегося источника, и после отражения свет распространяется в сферической форме вокруг центра, который движется с той же скоростью, что и первоначальный источник. (Предложено Вальтером Ритцем в 1908 году). Эта модель считалась наиболее полной теорией выбросов. (На самом деле Ритц моделировал электродинамику Максвелла – Лоренца. В более поздней статье Ритц сказал, что частицы излучения в его теории должны взаимодействовать с зарядами на своем пути и, таким образом, волны (производимые ими) не будут сохранять свои первоначальные скорости излучения бесконечно.)
• Возбужденная часть отражающего зеркала действует как новый источник света, и отраженный свет имеет ту же скорость c по отношению к зеркалу, что и исходный свет по отношению к источнику. (Предложено Ричардом Чейзом Толменом в 1910 году, хотя он был сторонником специальной теории относительности).
• Свет, отраженный от зеркала, приобретает составляющую скорости, равную скорости зеркального изображения первоисточника (предложено Оскаром М. Стюартом в 1911 г.).
• Модификация теории Ритца – Толмена была предложена Дж. Фоксом (1965). Он утверждал, что необходимо учитывать теорему затухания (т. е. регенерации света в пройденной среде). В воздухе расстояние гашения составило бы всего 0,2 см, то есть после прохождения этого расстояния скорость света была бы постоянной относительно среды, а не относительно исходного источника света. (Однако сам Фокс был сторонником специальной теории относительности.)

Альберт Эйнштейн Предполагается, что работал над своей собственной теорией излучения, прежде чем отказаться от нее в пользу своей специальной теории относительности . Много лет спустя Р. С. Шенкленд сообщает, что Эйнштейн говорил, что теория Ритца местами была «очень плохой» и что он сам в конце концов отказался от теории эмиссии, потому что не мог придумать никакой формы дифференциальных уравнений, описывающих ее, поскольку она приводит к волнам свет становится «перепутанным».

Опровержения теории эмиссии

Следующая схема была предложена де Ситтером. для проверки теорий выбросов:

$c'=c\pm kv\,$

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 стационарному эфиру, k = 0, в то время как теории излучения допускают значения до 1. Многочисленные наземные эксперименты были проведены на очень коротких расстояниях, где не могли возникнуть эффекты «затягивания света» или затухания, и снова результаты подтверждают, что скорость света не зависит от скорость источника, что окончательно исключает теории выбросов.

Астрономические источники

Аргумент Виллема де Ситтера против теории эмиссии. Согласно простой теории излучения, свет движется со скоростью c относительно излучающего объекта. Если бы это было правдой, свет, излучаемый звездой двойной звездной системы из разных частей орбитального пути, двигался бы к нам с разными скоростями. При определенных сочетаниях орбитальной скорости, расстояния и наклонения «быстрый» свет, излучаемый во время сближения, будет обгонять «медленный» свет, излучаемый во время спадающей части орбиты звезды. Можно было бы наблюдать множество причудливых эффектов, в том числе (а) как показано на рисунке, кривые блеска переменных звезд необычной формы, никогда ранее не наблюдавшиеся, (б) экстремальные доплеровские красные и синие смещения, совпадающие по фазе с кривыми блеска, подразумевающие в высшей степени некеплеровские кривые блеска. орбиты и (в) расщепление спектральных линий (обратите внимание на одновременное приход к цели сине- и красносмещенного света).

В 1910 году Дэниел Фрост Комсток и в 1913 году Виллем де Ситтер писали, что в случае системы двойной звезды, видимой с ребра, можно ожидать, что свет приближающейся звезды будет двигаться быстрее, чем свет ее удаляющегося спутника, и догонит его. Если бы расстояние было достаточно велико для того, чтобы «быстрый» сигнал приближающейся звезды догнал и перегнал «медленный» свет, излучаемый ею ранее, когда она удалялась, то изображение звездной системы должно было бы выглядеть совершенно искаженным. Де Ситтер утверждал, что ни одна из звездных систем, которые он изучал, не продемонстрировала экстремальных оптических эффектов, и это считалось похоронным звоном для теории Ритца и теории излучения в целом. $k<2\times 10^{-3}$.

Влияние вымирания на эксперимент де Ситтера было подробно рассмотрено Фоксом, и оно, возможно, подрывает убедительность доказательств типа де Ситтера, основанных на двойных звездах. Однако аналогичные наблюдения были сделаны совсем недавно в рентгеновском спектре Брехером (1977), которые имеют достаточно большое расстояние затухания, поэтому оно не должно влиять на результаты. Наблюдения подтверждают, что скорость света не зависит от скорости источника, причем $k<2\times 10^{-9}$.

Ганс Тирринг утверждал в 1924 году, что атом, который ускоряется в процессе излучения за счет тепловых столкновений 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. .

Земные источники

К таким экспериментам относится эксперимент Саде (1963), который использовал времяпролетный метод для измерения разности скоростей фотонов, движущихся в противоположном направлении, которые возникли в результате аннигиляции позитронов. Другой эксперимент провели Alväger et al. (1963), сравнившие время пролета гамма-лучей от движущихся и покоящихся источников. Оба эксперимента не обнаружили никакой разницы в соответствии с теорией относительности.

Филиппас и Фокс (1964) не считал, что Садех (1963) и Альвегер (1963) смогли в достаточной степени контролировать последствия вымирания. Поэтому они провели эксперимент, используя установку, специально разработанную для учета вымирания. Данные, собранные с различных расстояний детектор-мишень, согласовывались с отсутствием зависимости скорости света от скорости источника и не согласовывались с смоделированным поведением, предполагающим c ± v как с затуханием, так и без него.

Продолжая свои предыдущие исследования, Alväger et al. (1964) наблюдали π ⁰ - мезоны , распадающиеся на фотоны со скоростью света 99,9%. Эксперимент показал, что фотоны не достигали скорости своего источника и все равно путешествовали со скоростью света. $k=(-3\pm 13)\times 10^{-5}$. Исследование сред, через которые проходили фотоны, показало, что сдвиг экстинкции недостаточен, чтобы существенно исказить результат.

Также измерения скорости нейтрино были проведены . В качестве источников использовались мезоны, движущиеся почти со скоростью света. Поскольку нейтрино участвуют только в электрослабом взаимодействии , угасание роли не играет. Наземные измерения предоставили верхние пределы $k\leq 10^{-6}$.

Интерферометрия

Эффект Саньяка демонстрирует, что один луч на вращающейся платформе преодолевает меньшее расстояние, чем другой луч, что создает сдвиг интерференционной картины. Было показано, что в оригинальном эксперименте Жоржа Саньяка наблюдается эффект затухания, но с тех пор было показано, что эффект Саньяка возникает и в вакууме, где затухание не играет никакой роли.

Предсказания версии теории излучения Ритца согласовывались почти со всеми наземными интерферометрическими тестами, за исключением тех, которые включали распространение света в движущихся средах, и Ритц не считал трудности, возникающие в результате таких тестов, как эксперимент Физо, непреодолимыми. Толман, однако, отметил, что эксперимент Майкельсона-Морли с использованием внеземного источника света может стать решающей проверкой гипотезы Ритца. В 1924 году Рудольф Томашек провел модифицированный эксперимент Майкельсона-Морли, используя звездный свет, а Дейтон Миллер использовал солнечный свет. Оба эксперимента не соответствовали гипотезе Ритца.

Бэбкок и Бергман (1964) поместили вращающиеся стеклянные пластины между зеркалами интерферометра общего пути, установленного в статической конфигурации Саньяка . Если стеклянные пластинки ведут себя как новые источники света, так что общая скорость света, выходящего из их поверхностей, равна c + v , можно было бы ожидать сдвига интерференционной картины. Однако такого эффекта, который еще раз подтверждает специальную теорию относительности и еще раз демонстрирует независимость скорости света от источника, не произошло. Этот эксперимент проводился в вакууме, поэтому эффекты затухания не должны играть никакой роли.

Альберт Абрахам Майкельсон (1913) и Кирино Майорана (1918/9) провели эксперименты на интерферометре с покоящимися источниками и движущимися зеркалами (и наоборот) и показали, что в воздухе нет зависимости скорости света от источника. Схема Майкельсона была разработана для того, чтобы различать три возможных взаимодействия 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 соответствовали независимости скорости света от источника. Майорана анализировал свет от движущихся источников и зеркал с помощью интерферометра Майкельсона с неравным плечом, который был чрезвычайно чувствителен к изменению длины волны. Теория эмиссии утверждает, что доплеровское смещение света от движущегося источника представляет собой сдвиг частоты без смещения длины волны. Вместо этого Майорана обнаружил изменения длины волны, несовместимые с теорией излучения.

Бекманн и Мандич (1965) повторил эксперименты Майкельсона (1913) и Майораны (1918) с движущимся зеркалом в высоком вакууме, обнаружив, что k меньше 0,09. Хотя использованного вакуума было недостаточно, чтобы окончательно исключить вымирание как причину их отрицательных результатов, его было достаточно, чтобы сделать вымирание крайне маловероятным. Свет от движущегося зеркала проходил через интерферометр Ллойда , часть луча проходила по прямому пути к фотопленке, а часть отражалась от зеркала Ллойда. В эксперименте сравнивалась скорость света, гипотетически распространяющегося со скоростью c + v от движущихся зеркал, со скоростью отраженного света, гипотетически движущегося со скоростью c от зеркала Ллойда.

Другие опровержения

Теории эмиссии используют преобразование Галилея, согласно которому временные координаты инвариантны при смене кадров («абсолютное время»). Таким образом, эксперимент Айвса-Стилуэлла , подтверждающий релятивистское замедление времени , одновременно опровергает теорию излучения света. Как показал Говард Перси Робертсон , полное преобразование Лоренца можно получить, если рассматривать эксперимент Айвса-Стилвелла вместе с экспериментом Майкельсона-Морли и экспериментом Кеннеди-Торндайка .

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

См. также

• История специальной теории относительности
• Тесты специальной теории относительности

Ссылки

• Исаак Ньютон, Математические основы натуральной философии
• Исаак Ньютон, оптика

Внешние ссылки

• Статьи де Ситтера (1913) о двойных звездах как свидетельство против теории излучения Ритца.