Теория относительности [1 - 4] рождена на ошибочных расчетах величины сдвига интерферометрической картины в интерферометрах через скорость света, тогда как рассчитывать ее необходимо через фазу.
Фундаментальный эксперимент, лежащий в основе специальной теории относительности (СТО) - попытка наблюдения этого сдвига при вращении движущегося интерферометра Майкельсона [5]. Предполагалось это перемещение на основе "очевидного" соображения: если скорость света в покоящейся среде постоянна, то скорость света относительно движущегося интерферометра должна измениться. Следовательно, как считали физики, интерференционная картина должна переместиться.
ОПЫТ МАЙКЕЛЬСОНА
Пусть источник плоской световой волны покоится в начале координат и излучает свет с частотой ‘Omega’ в направлении оси X. В точке покоя уравнение светового поля имеет вид:
E1 = E0 cos(2’Pi’’Omega’t). (1)
В точке на расстоянии S фаза светового поля отстает на величину S/C, поскольку свет распространяется с ограниченной скоростью С:
Es = E0 cos[2’Pi’’Omega’ (t - S / C)]. (2)
Пусть теперь источник света движется со скоростью V в направлении оси X.
В этом случае расстояние между источником света и удаленной точкой сокращается со временем, и вместо величины S в уравнение (2) следует подставить величину S-Vt.
Es = E0 cos{2’Pi’’Omega’[t - (S - Vt) / C]}. (3)
Сделаем эквивалентные преобразования.
Es = E0 cos{2’Pi’’Omega’ [(C + V)t / C - S / C]}. (4)
Es = E0 cos{2’Pi’’Omega’ [(C + V) / C][t - S / (C + V)]}. (5)
Уравнение (5) можно записать в виде (2), вводя соответствующие обозначения:
Es = E0 cos[2’Pi’ ‘Omega’1 (t - S / C1)]. (6)
где применены обозначения:
’Omega’1 = ‘Omega’ (C + V) / C, (7)
C1 = C + V . (8)
Итак, мы исходили из того, что скорость света не меняется от движения источника излучения. Именно это соображение положено в условия расчета. В результате мы получили как простое математическое следствие тот вывод, что скорость распространения фронта с заданной фазой (то есть фазовая скорость) света зависит от скорости источника света. Эта зависимость описывается простым правилом сложения скоростей. При этом дополнительный эффект (но не единственный) состоит в изменении частоты света, которая воспринималась бы неподвижным источником. Это явление известно как доплеровское смещение частоты.
Следовательно, если источник света движется в пространстве, то с позиции чисто волновой и нерелятивистской теории света мы должны сделать вывод, что, хотя скорость распространения световой волны постоянна в покоящейся системе, фазовая скорость зависит от скорости источника света и вычисляется по правилу сложения скоростей.
Следовательно, вычисляя фазовую скорость световой волны в системе координат, связанной с источником света, мы должны были бы вычесть из фазовой скорости (8) значение скорости движения источника, равное V. В результате мы бы получили значение, равное C:
C11 = C + V - V = C . (9)
Вывод: фазовая скорость света постоянна в системе, связанной с источником света и равна С, при условии, что источник движется равномерно прямолинейно со скоростью, меньшей, чем скорость распространения света С. При этом скорость распространения света остается постоянной и равной С лишь в покоящейся системе отсчета, то есть в системе, связанной со светопроводящей средой. Скорость распространения света, рассчитанная для подвижного источника, вычисляется, согласно правилу Галилея векторным вычитанием скорости источника из скорости света в покоящейся системе.
Пусть теперь приемник света расположен на расстоянии L от источника света, и движется с той же скоростью и в том же направлении, что и источник света. В этом случае мы рассматриваем систему, состоящую из источника и приемника света, покоящихся друг относительно друга, которые совместно перемещаются со скоростью V относительно светопроводящей среды.
В этом случае в уравнение (3) необходимо подставить
S = L + Vt. (10)
В результате получаем:
EL = E0 cos{2’Pi’’Omega’ [t - (L + Vt - Vt)/ C]}, (11)
EL = E0 cos[2’Pi’’Omega’ (t - L / C)]. (12)
Уравнение (12) совпадает по виду с уравнением (2) и не содержит скорости V, с которой система "излучатель-приемник" движется относительно среды.
Если источник и приемник света, располагаясь на расстоянии L, движутся равномерно и прямолинейно относительно среды, скорость распространения света в которой постоянна (и равна С) во всех направлениях, то в предположении справедливости принципа Галилея для сложения скоростей можно утверждать, что свет будет принят приемником в той же фазе, как если бы пара "излучатель-приемник" покоилась относительно среды.
Иными словами, так называемый "эфирный ветер" не может быть выявлен интерферометрическими измерениями, если скорость движения интерферометра не превышает скорость света в покоящейся системе.
Следовательно, длина волны света в системе, связанной с источником света, не зависит от скорости этой системы относительно светопроводящей среды.
Важно ещё раз отметить, что указанная инвариантность не относится к скорости распространения возмущения, то есть к тому, что принято понимать под скоростью света в обычном смысле.
Вместо источника плоской волны можно было рассмотреть точечный источник при условии, что мы рассуждали бы применительно к распространению волны в радиальном направлении. Поскольку все рассуждения были бы аналогичными, то и результаты были бы теми же.
На основании принципа Гюйгенса полученные результаты могут быть применены к произвольному излучению, которое может быть представлено в виде набора точечных источников излучения.
Утверждение 1. Равномерное прямолинейное движение оптической системы относительно покоящейся среды (со скоростью, меньшей скорости света) никак не проявляется в фазовой скорости света.
Это аналогично тому, что движение системы материальных тел относительно любой инерциальной системы отсчета никак не проявляется в скоростях взаимодействующих в этой системе тел.
Если на движущейся равномерно и прямолинейно платформе игроки играют в теннис, то они могут не учитывать движение платформы, поскольку оно никак не сказывается на движении мячей в системе, связанной с платформой. Если же рассматривать траектории мячей в неподвижной системе отсчета, то удар игрока в различных направлениях следует расценивать как удар с "различной силой", поскольку в этом случае скорость ракетки будет различной. Угол падения мяча в неподвижной системе уже не будет равен углу отражения, поскольку мяч будет сталкиваться с движущейся, а не с покоящейся платформой.
Уже только поэтому можно предположить, что аналогичные рассуждения и принцип Гюйгенса должны приводить к тому, что направление фазовой скорости света подчиняется этому же фундаментальному закону (утверждению 1), а при зеркальном отражении от движущегося зеркала угол падения не будет равен углу отражения. Соответственно, если рассматривать ход лучей в системе, связанной с зеркалом, то в этой и только в этой системе угол падения будет всегда равен углу отражения. Это опять-таки относится только к фазовой скорости света, а, следовательно, и к направлению движения волнового фронта. Это утверждение должно следовать из постоянной скорости распространения светового возмущения в покоящейся системе, то есть вычисления её в подвижной системе по правилу Галилея.
Осталось только показать, что так оно и есть.
Для этого целесообразно нарисовать картинку, но в текстовом формате я постараюсь обойтись словами.
Представим себе зеркало, повернутое на 45 градусов к оси X. Пусть на это зеркало в направлении горизонтальной оси X приходит плоская волна, которую условно можно изобразить двумя параллельными стрелками с расстоянием d между ними. Нижняя стрелка раньше достигнет зеркала и в этот момент данный элемент зеркала можно рассматривать как новый точечный источник света. Если зеркало покоится, то верхняя стрелка достигла бы зеркала через время, равное d/C. За это время от первого элемента зеркала сферическая волна распространится на расстояние, равное
Сxd/C=d. (13)
Соединяя вторую точку с окружностью около первой точки по касательной, получим линию равной фазы отраженного света, которая будет представлять собой волновой фронт. Эта линия будет перпендикулярна направлению распространения волнового фронта. А направление волнового фронта окажется перпендикулярным направлению падающего волнового фронта. То есть для покоящегося зеркала, расположенного под углом 45 градусов, угол отражения также будет равен 45 градусов.
Если теперь зеркало движется в направлении оси X со скоростью V, то верхний луч достигнет зеркала не через время d/C, а через время
d/(C-V), (14)
то есть за большее время. Соответственно, до этого момента луч, отраженный от первой точки, пройдет расстояние
Сxd/(C-V). (15)
Следовательно, линия, соединяющая точку встречи второго луча и вторую окружность по касательной, будет наклонена в сторону направления оси X. Следовательно, направление фронта приобретен дополнительный поворот в сторону оси X.
Если же те же самые рассуждения проделать в системе, связанной с зеркалом, то с учетом Утверждения 1 и с учетом того, что именно о фазовой скорости необходимо вести речь при анализе направления волнового фронта, то мы получим те же результаты, которые получили, рассуждая о покоящемся зеркале. Следовательно, в системе, связанной с зеркалом, угол падения света остается равным углу отражения.
Дополнительно рассмотрим вопрос о скорости движения отраженного луча в направлении Y. Согласно принципу Гюйгенса, точки зеркала трактовать как новые точечные источники света. В покоящейся системе отсчета свет от этих точечных источников должен распространяться во всех направлениях со скоростью С. Следовательно, свет от каждого фрагмента зеркала распространяется в том числе и вверх со скоростью C. Сложение отдельных волновых фронтов изменяет общее направление движения волнового фронта, но оно не может замедлить распространение светового возмущения в вертикальном направлении Y. Следовательно, и фазовая скорость света, и скорость распространения в данном направлении Y будут по-прежнему равны C. Одновременно в направлении X появляется дополнительная фазовая скорость, равная V за счет движения зеркала. Поэтому фазовая скорость света в новом направлении может быть вычислена по теореме Пифагора, и равна корню квадратному из суммы квадратов C и V.
В системе, связанной с движущимся зеркалом, фазовая скорость света равна C, поскольку в этой системе направление света - только вертикальное, в направлении оси Y, а горизонтальная компонента отсутствует.
Ситуация с фазовой скоростью полностью аналогична рикошету мяча от движущейся или от неподвижной стены.
Утверждение 2. Равномерное прямолинейное движение оптической системы относительно покоящейся среды (со скоростью, меньшей скорости света) никак не проявляется в направлении распространения света.
Это аналогично тому, что движение системы материальных тел относительно любой инерциальной системы отсчета никак не проявляется в направлении движений взаимодействующих в этой системе тел.
Основной вывод. В рамках приведенных рассуждений результаты, полученные в опыте Майкельсона, являются вполне закономерными, а вовсе не удивительными, как это сочли физики в конце XIX - начале XX вв.
Действительно, в опыте Майкельсона не измеряется скорость распространения световой волны, а наблюдается интерференционная картина, на результат наблюдения которой влияет именно фаза света, то есть следует говорить о фазовой скорости. Инвариантность фазовой скорости от скорости интерферометра является простым следствием применения правила Галилея для сложения скоростей.
Следовательно, опыт Майкельсона вовсе не указывает на отсутствие светопроводящей среды, а напротив, подтверждает ее наличие. Гипотеза Ритца, состоящая в том, что скорость света постоянна относительно источника света, состоятельна в терминах фазовой скорости, но ошибочна в терминах скорости распространения поля (скорости распространения полевого возмущения).
Следовательно, для теории относительности не было никаких оснований. Следовательно, А. Эйнштейн ошибочно утверждал постоянство скорости света в любой системе отсчета. Если говорить о скорости распространения полевого возмущения, то эта скорость постоянна во всех направлениях только относительно покоящейся системы координат, единственной в своем роде, в которой скорость среды равна нулю. Движение интерферометра не выявляет различия этой скорости в различных направлениях, поскольку в интерферометре скорость распространения полевого возмущения не измеряется вовсе.
Дополнительные основания для пересмотра теории света и отказа от постулатов теории относительности приведены в цикле более ранних моих статей.
В частности, это аналогичные результаты с движущимися интерферометрами, заполненными различными средами (а не вакуумом), а также объяснение эффекта, ошибочно истолкованного как проявление "гравитационных линз", обычными газовыми атмосферными линзами.
Аргумент против теории Ритца, который на протяжении ста лет считается неопровержимым, состоящий в том, что "не существует", якобы, "мигающих звезд", давно пора сбросить со счетов, поскольку мигающие звезды открыты. Ими оказались квазары и пульсары. Период мигания последних составляет от нескольких десятков секунд до нескольких десятков минут. Невозможно предположить, чтобы небесное тело совершало обращения вокруг другого небесного тела с таким малым периодом. В рамках доказанной истинности теории Ритца мигание звезды может быть простым и понятным следствием ее движения с ускорением в направлении к нам. В этом случае фазовая скорость света, излученного позже, больше, чем скорость фазы ранее излученного света. На очень больших расстояниях по мере распространения фаза более молодого света догоняет фазу более старого света, и между ними происходит интерференция. Интерференционная картина, которая движется в пространстве по направлению распространения света как раз и приводит к тому, что наблюдатель видит мигание звезд. При этом в момент яркой вспышки имеет место сложение интенсивностей, а в момент затухания - их вычитание. Истинная яркость звезды может быть оценена как средняя величина, или как половина пиковой яркости. Поэтому свет эти звезды на самом деле вдвое менее яркие, чем воспринимаются по пику излучения. Современное представление о природе пульсара, как о двойной звезде, одна из которых абсолютна черная, а другая - светящаяся, при том, что они обладают примерно равными массами и движутся друг относительно друга с такими большими скоростями, что период обращения измеряется минутами или даже секундами, - это представление ошибочно. Мало того, такое представление противоречит и теории относительности, поскольку слишком большие скорости движения объектов с такими большими массами требуют гигантских энергий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Эйнштейн А. Собр. соч., в 4-х т., М., Наука. - 1965. - т.1.
2. Румер Ю.Б., Рывкин М.С. Теория относительности. М., Учпедгиз, 1960. - 212 с.
3. Дэвид Бом. Специальная теория относительности. М.: Мир, 1967.
4. Бриллюэн Л. Новый взгляд на теорию относительности. М.: Мир. - 1972. - 142 с.
5. Майкельсон А.А. Световые волны и их применение. Пер. с англ. В.О. Хвольсон под ред. О.Д. Хвольсона, Mathesis, 1912.
6. Смульский И.И. Теория взаимодействия. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. Ун-та, НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1999 г. - 294 с.
7. Жмудь В.А. О гравитационных линзах. Сборник научных трудов НГТУ, 2004, N1 (21).
8. Эренфест П. Относительность, кванты, статистика. Сборник статей. М., Наука, 1972.