Поскольку Замечание Михаила Близнецова к заметке «Ее величество Волна» поднимает много вопросов, я отвечаю на него тут – в примечании места не хватит.
Если позволите, отвечу на абзацы в порядке следования, для того, чтобы отличать Ваши слова от моих, снабжу и те и другие метками.
МБ: «Чтобы ответить на вопрос, что есть волновое движение энергии, нужно ответить на вопрос, что есть неволновое движение энергии».
ВЖ: Я не ставил вопрос «Что есть волновое движение энергии?». Я ставил вопрос «Что есть волна?» и указал, что это - распространение энергии без распространения вещества и далее см. по тексту. Я отметил, что волна переносит энергию. Некоторые довольно умные люди (в других вопросах) зачастую глубоко ошибаются, утверждая, что волна не переносит энергию. Да, не удивляйтесь. И причина в этом заблуждении – в частности – и теория относительности. Другая причина – ошибочные примеры в очень распространенных книгах, популяризирующих физику.
Почему теория относительности виновата? Очень просто. Согласно этой теории, энергия тождественна массе, то есть веществу. Следовательно, как невозможно перенести массу, не перенося энергию, так же точно невозможно и перенести энергию, не перенося массу. Из этого простого и ошибочного тезиса следуют два вида заблуждений:
1. Волна переносит и энергию, и (следовательно) массу (поскольку переносимая энергия может быть также описана массой). – Это не так.
2. Волна не переносит массу, а коль масса связана с энергией, то волна не переносит и энергию. – Это не так.
Ошибочные примеры: колыхание пшеницы в поле под действием ветра ошибочно приводится как волна. Рябь – то же самое. Но если с рябью не столь очевидно, что она не переносит энергию (волна, опрокидывающая корабль, наверное, переносит энергию, но на самом деле эта энергия берется из движений воздуха и именно воздух переносит энергию, а волна лишь играет роль «маховика»), то с полем все очевидно. Энергия от одного колоска к другому не передается колосками. Этот пример убеждает: то, что названо в этом примере волной не переносит энергию. Но я уточняю, что в этом примере волной названо то, что волной не является. Поэтому-то я и говорю, что надо очистить это понятие от мусора, от неверных аналогий, приводящих к ошибкам в понимании.
Почему я говорю, что я не ставил вопрос так, как вы его ставите? Потому что в вопросе «что есть волновое движение энергии» уже содержится утверждение, что энергия движется, и что она движется волнообразно. Утверждение, что энергия движется волнообразно, я бы осторожно назвал не вполне корректным. Энергия ПЕРИОДИЧЕСКИ перетекает из одного вида в другой, но полная энергия не колеблется, то есть не движется волнообразно. Можно лишь говорить, что волнами меняется значение кинетической энергии в какой-то точке за счет того, что в противофазе меняется потенциальная энергия, а в сумме они остаются приблизительно постоянными. Поэтому термин «волновое движение энергии» я не считаю вполне корректным.
МБ: «Основная характеристика волнового движения есть скорость распространения, которая есть величина постоянная в данной среде».
ВЖ: Скорость распространения часто путают с фазовой скоростью. Эти величины определяются по-разному и, естественно, отличаются и величинами.
Скорость распространения отклика на ступенчатое возмущение в среде, естественно, является характеристикой только среды. Если среда линейна (а в большинстве примеров это так), то скорость распространения гармонического колебания не должна зависеть от частоты колебания. Пример с звуковыми волнами в этом убеждает. Практические измерения скорости света в этом, к сожалению, НЕ УБЕЖДАЮТ, см., например, статьи Эренфеста. Но тот факт, что скорость распространения электрических колебаний совпадает со скоростью света УБЕЖДАЕТ, что скорость распространения электрических колебаний в вакууме не зависит от частоты в большом диапазоне частот, в сравнении с которым свет занимает гораздо меньший диапазон частот. Поэтому, полагаю, принято довольно обосновано и справедливо, что скорость света не зависит от частоты колебаний.
Вследствие этого ошибочно принято, что скорость света вообще постоянна для всех систем отсчета. Это не так. Одинаковые результаты измерений скорости света не должны нас сбивать с толку. Во-первых, измеряется при этом не скорость РАСПРОСТРАНЕНИЯ, а групповая скорость, которая является скоростью движения ГРЕБНЯ ВОЛНЫ. Это не одно и то же, теоретикам это известно, но они предпочитают об этом молчать.
Имеется такое явление как ДИСПЕРСИЯ – рассеяние. Вследствие дисперсии увеличивается длина волны (или понимайте так, что уменьшается частота). Это и есть – потеря энергии, не связанная с круговым расхождением, природа этой потери энергии другая, это – взаимодействие со средой.
Вы ниже утверждаете, что при расходящихся волнах спектр не смещается в сторону низких частот, но это всего лишь утверждение, которое не подтверждается практикой, а опровергается.
Кроме того, при «измерениях скорости света» на самом деле измеряется ее средняя скорость на замкнутом пути, поэтому если в одном направлении она возрастет, а в другом уменьшится (вследствие движения установки относительно среды), то это может оказаться и не выявленным – ЧТО МЫ И ИМЕЕМ В ОПЫТЕ МАЙКЕЛЬСОНА.
Измерение скорости распространения света ТОЛЬКО В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ НЕВОЗМОЖНО В ПРИНЦИПЕ, в чем вы убедитесь, если изучите и обдумаете все известные методы измерения и если даже постараетесь придумать свой оригинальный метод.
МБ: Произведение частоты на длину волны есть скорость. Это известно всем. Произведение ширины частотного спектра на протяженность волнового пакета также есть скорость. Это следует из модифицированных спектральных представлений.
ВЖ. Позвольте-ка. Вы что имеете в виду? Длина волны является постоянной величиной лишь в том случае, если частота источника – постоянна и если источник покоится. Поэтому так не следует определять скорость света.
Не следует определять некую величину, предполагаемую постоянной, через отношения других величин, далеко не являющимися постоянными.
Я бы посоветовал наоборот определить длину волны через скорость распространения и через частоту. Тогда будет ясно, что является постоянным, и в каких именно опытах.
Про «волновые пакеты», извините, не понял, к чему это.
МБ: Основная характеристика неволнового движения энергии также есть скорость, которая больше скорости волнового движения в данной среде. Это ударные волны.
ВЖ. Я не понял, честно говоря, почему вы «неволновые» движения называете «волнами»? Или это волновые движения, или это не волновые, определитесь с этим. Так нельзя с терминологией вольно обращаться.
Вообще говоря, ударная волна – это та же волна, только особая.
Точно так же, как в электронике «дельта-функция» может быть разложена в спектр.
А, следовательно, если дельта функция может быть представлена совокупностью гармонических колебаний, то и скорость распространения «ударных волн» должен быть как-то связан со скоростью распространения колебательных волн.
Если, например, говорить о скорости распространения «ударной волны» от ядерного взрыва, то давайте учтем, что ее надо отсчитывать не от эпицентра, поскольку сначала идет расширение вещества с огромной скоростью, которая вообще никакого отношения к скорости звука не имеет. И до каких диаметров фронт повышенного давления расширяется за счет этой внутренней энергии, вообще говоря, мне не известно. А вот когда этот фронт перестает толкаться изнутри этой энергией, я полагаю, после этого можно утверждать, что остался только звук, и он распространяется, естественно, со скоростью ЗВУКА, то есть с той же самой. И это – уже просто волна.
МБ: Чем круче передний фронт и положе задний фронт ударной волны, тем больше относительная ширина модифицированного спектра ударной волны и тем больше скорость ударной волны.
ВЖ: Что-то я тут не понимаю. Зависимость монотонная? Не означает ли это, что если фронт в пределе строго вертикален, то можно получить бесконечную «скорость распространения ударной волны»? При чем тут крутизна фронта вообще – не ясно. Проблема в том, что ежели воздух изнутри толкает некая сила, не связанная с упругими свойствами воздуха как среды, то ЕСТЕСТВЕННО, скорость распространения волны будет другой. Только при чем тут крутизна фронта? Скорость звука зависит от плотности воздуха, от давления, не так ли? Если в результате, допустим, ядерного взрыва, плотность воздуха возрастет, то и скорость звука в этой другой среде просто обязана возрасти.
Ваш пример вообще говорит несколько об ином.
Если, допустим, в воде скорость волны некая – Vм/с, и если я в воде начну раздувать пузырь, фронт которого будет расширяться со скоростью 10*V, то из этого не следует, что «чем круче фронт, тем быстрее скорость распространения ударной волны». Из этого просто следует, что к этому фронту нельзя применять понятие «скорость распространения волны» до тех пор, пока он не оторвется от источника энергии, который навязывает такую скорость расширения. Возьмите, допустим, глиссер, который движется по воде со скоростью 20*V. Бурунчик перед ним будет двигаться с той же дикой скоростью. Разве можно при этом говорить, что «ударная волна в воде от движения глиссера имеет скорость распространения больше, чем скорость распространения волны в воде»? Нет, конечно! Это не волновой процесс – этот бурунчик – «складка», скорость которой навязана извне мощным источником. То же самое и с ударной волной, мне кажется.
Впрочем, я ведь не специалист по ударным волнам!
МБ: ЦИТАТА из ВЖ: «Красное смещение (эффект Хаббла) является естественным следствием затухания энергии во всех видах волн». «Затухание дает естественное следствие: увеличение длины волны, или снижение частоты колебаний, поскольку частота колебаний связана с энергией».
МБ: Я бы почти согласился с такими утверждениями, но … В радиально расходящихся волнах амплитуда и, соответственно, энергия волн уменьшается в результате геометрического расхождения, но спектр волнового пакета не смещается в сторону низких частот.
ВЖ. Это не так. С точностью до наоборот. Именно НАРЯДУ с уменьшением энергии, о котором вы говорите, имеется еще и уменьшение энергии, связанное с потерей энергии в среде. В противном случае волны от брошенного камня никогда бы не затухали. Подумайте.
Давайте рассмотрим круглый бассейн, и в центр его сделаем большой «плюх».
Волны разойдутся по кругу, но от круглых стенок отразятся и вернутся обратно. Если энергия не теряется, то они дадут такой же «отклик», каким был «плюх».
Или рассмотрите бассейн бесконечных размеров. Сила поверхностного натяжения играет большую роль в распространении волн, но она же и активно ВОЗДЕЙСТВУЕТ на эти волны, подавляет их, и на каком-то расстоянии, наконец, полностью гасит их. ПОЛНОСТЬЮ. Кстати, понаблюдайте – В ЖИЗНИ, а не из книг – и вы увидите НАЯВУ, что длина волны при этом возрастает. Волны гаснут не так, что при исходном шаге они так и остаются такими же – длина волн именно растет одновременно с уменьшением их амплитуды. Да понаблюдайте же! Ну просто вспомните – разве вы никогда не бросали камень в какой-нибудь пруд или озерцо? Там, где волны почти угасли, они очень медленные, глазу видно, как вода то поднимется на капельку, то опустится на капельку. Порой несколько секунд проходит между этими поднятиями и опусканиями. А вспомните-ка – какая частота колебаний была в том месте, где упал сам камень? Несколько колебаний в секунду.
Не надо просто спорить, утверждать, что на практике вот так, а не иначе, если вы сами от этой практики уже стали настолько далеки, что и не знаете, как оно на самом деле. Сначала, пожалуйста, понаблюдайте, а потом уже подумайте, надо ли спорить, или надо просто ЗАДУМАТЬСЯ?
МБ: Если Вы имеете в виду гипотезу «старения света», то она экспериментально не подтверждается.
ВЖ: Как это она экспериментально не подтверждается? Помилуйте! Давайте разберемся, что мы имеем в виду под «старением света». Давайте согласимся, что распространение света во времени и в пространстве строго связаны. Где нам взять еще «старый» свет, как не из космоса? Что такое «старый» свет? Видимо, тот, который испущен давно? Где такой свет взять? Видимо – это свет от далеких звезд? И тут простая закономерность: чем дальше от нас звезда, тем более старый свет от них до нас доходит. Если мы, скажем, будем наблюдать свет от Сириуса – его возраст в точности равен числу, которым измеряется расстояние до него в световых годах. Причем, если свет от Сириуса сегодняшний сравнить со светом от Сириуса, допустим, изученным два, пять, сто или тысячу лет назад, то во всех этих случаях свету этому будет строго одно количество лет в предположении, что расстояние от Сириуса до нас не меняется. То есть если мы наблюдаем свет от Сириуса и фиксируем, как он меняется, то он изменяться не будет принципиально, потому что мы будем наблюдать всегда свет одного и того же возраста.
Если мы хотим посмотреть, как свет изменяется за десять световых лет, то мы должны сопоставить свет от двух приблизительно одинаковых по спектральному составу звезд, расстояние до которых от нас отличается как раз на десять световых лет. Получается, что чем дальше от нас звезды, тем старше свет от них мы наблюдаем.
Теперь очень просто – даже если звезды не очень похожи, практически в каждой из них есть водород, который светится, и спектр которого достаточно легко выявить на фоне спектра других атомов. Можно брать и не водород, а любой другой атом – например, гелий, аргон, неон, натрий, калий, кальций, кислород, углерод и так далее.
И вот если мы заметим, что спектры одного и того же атома в зависимости от расстояния до нас как-то изменяются, то это и будет признак старения света.
Это изменение давно уже ИЗВЕСТНО, обо ОБНАРУЖЕНО, оно носит название «КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ», или «ЭФФЕКТ ХАББЛА».
Сам Хаббл, открывший это смещение, объяснил его разбеганием небесных светил, то есть приписал явлению ДОПЛЕРОВСКОГО смещения.
Об этом он в восторге написал Эйнштейну, и хотел сделать его своим сторонником в теории «разбегающейся вселенной». Эйнштейн категорически отверг гипотезу разбегания вселенной. Но он тем самым поставил себя перед нелегким ТРОЙСТВЕННЫМ выбором – либо он должен отказаться от теории относительности, и признать, что скорость света не является постоянной, либо он должен был признать, что свет распространяется не в вакууме, а в светоносной среде, и, следовательно, свет может терять энергию, вследствие преодоления сопротивления среды, либо он должен согласиться с Хабблом в том, что вселенная расширяется, и то есть прийти к «первотолчку».
Вы удивитесь, возможно, но Эйнштейн этот выбор сделал. Правда, он и сам этого конкретно не сформулировал, и, возможно не понял в таком уж категорическом ТРОЙСТВЕННОМ смысле – в смысле бескомпромиссной альтернативы «одно из трех». И все же он его сделал, а именно: ЭЙНШТЕЙН ПРИЗНАЛ СУЩЕСТВОВАНИЕ СВЕТОНОСНОЙ СРЕДЫ, ОТВЕСТВЕННОЙ ЗА РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА.
Иными словами, если бы Эйнштейн был сейчас с нами, скорее всего, он признал, что свет теряет энергию в вакууме, что вызывает красное смещение, нежели согласился бы признать расширяющуюся вселенную.
Современные астрофизики скрывают (или не знают) того факта, что Эйнштейн не признавал красное смещение как доказательство расширения Вселенной, то есть эффект Хаббла он не признавал доплеровским эффектом.
Мало того, зачастую можно услышать, что чуть ли не Эйнштейн доказал, что вселенная расширяется. Такую версию распространял частично сам Хаббл, человек глубоко НАБОЖНЫЙ, который искал в физике ДОКАЗАТЕЛЬСТВ БОЖЕСТВЕННОГО СОТВОРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ.
Извините, если человек ищет следов Господа – он их находит в том, что таковым не является. Если он увидел «красное смещение», которое можно толковать как «импульс движения от ДЛАНИ ГОСПОДНЕЙ» - вы его уже не переубедите.
Но физики-то, физики! Они ведь должны рассмотреть ВСЕ ВОЗМОЖНЫЕ ОБЪЯСНЕНИЯ и выбрать наиболее вероятное как рабочую гипотезу, а затем искать доказательства и опровержения. Именно И. Потому что никогда не знаешь, что важнее – доказать или опровергнуть гипотезу. Важнее – приблизиться к истине, и иногда истина отыскивается доказательством, а иногда – опровержением. Надо только помнить, что в некоторых случаях доказательства оказываются ложными, кажущимися, как в великолепном примере из книги Потоцкого «Рукопись, найденная в Сарагосе», и иногда и опровержения бывают ложными, кажущимися. Иногда и ложные посылки приводят к правильному выводу, как случилось с Галилеем и законом равноускоренного падения.
Он необоснованно вывел теоретически то, что экспериментально и не подтверждалось вовсе – ведь мы из практики знаем, что ускорение и скорость падения тела как раз зависит от его формы и массы – сравни перо и дробинку, но в вакууме, действительно, эта гипотеза справедлива!
Итак, не надо огульно соглашаться, не надо огульно отрицать, давайте вместе ДУМАТЬ, и если надо – ОПРОВЕРГАТЬ, если получится – ДОКАЗЫВАТЬ.
Напомню лишь, что некоторые – да все! – доказательства теории относительности – кажущиеся. Поэтому можно и должно пересматривать ее, начиная с самых основ.
Хотя заслуги Эйнштейна перед теоретической физикой остаются большими – но, увы, не в области теории относительности, а в области других исследований. Кстати, именно за другие исследования он получил нобелевскую премию, и это справедливо. Ибо теория относительности на «нобелевку» откровенно говоря, не тянет. И названа-то она так необоснованно. «Гипотеза инвариантности скорости света к системе отсчета» - вот как надо было ее назвать.
А теорию относительности открыл как раз ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ, только не называл ее так. И постулаты там несколько иные.