Теория излучения

Теория излучения, также называемая теория излучателя или баллистическая теория света, была конкурирующей теорией специальной теории относительности, объясняющей результаты эксперимента Майкельсона – Морли 1887 года. Теории выбросов подчиняются принципу относительности посредством не имеют предпочтительного кадра для передачи света, но говорят, что свет излучается со скоростью «c» относительно его источника, вместо применения постулата инвариантности. Таким образом, теория излучателя объединяет электродинамику и механику с простой теорией Ньютона. Хотя сторонники этой теории все еще остаются вне научного мейнстрима, большинство ученых считает эту теорию окончательно дискредитированной.

• 1 История
• 2 Опровержения теории выбросов
  • 2.1 Астрономические источники
  • 2.2 Наземные источники
  • 2.3 Интерферометрия
  • 2.4 Другие опровержения
• 3 См. Также
• 4 Ссылки
• 5 Внешние ссылки

Название с теорией излучения чаще всего ассоциируется Исаак Ньютон. В своей корпускулярной теории Ньютон визуализировал световые «корпускулы», отбрасываемые от горячих тел с номинальной скоростью c относительно излучающего объекта и подчиняющиеся обычным законам ньютоновской механики, и тогда мы ожидаем, что свет будет двигаться к нам со скоростью, которая компенсируется скоростью дальнего излучателя (c ± v).

В 20 веке специальная теория относительности была создана Альбертом Эйнштейном для разрешения очевидного конфликта между электродинамикой и принципом относительность. Геометрическая простота теории была убедительной, и большинство ученых приняли теорию относительности к 1911 году. Однако некоторые ученые отвергли второй основной постулат теории относительности: постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета.. Поэтому были предложены различные типы эмиссионных теорий, в которых скорость света зависит от скорости источника, а вместо преобразования Лоренца используется преобразование Галилея. Все они могут объяснить отрицательный результат эксперимента Майкельсона – Морли, поскольку скорость света постоянна относительно интерферометра во всех системах отсчета. Вот некоторые из этих теорий:

• Свет сохраняет на всем своем пути составляющую скорости, полученную от исходного движущегося источника, а после отражения свет распространяется в сферической форме вокруг центра, который движется с той же скоростью, что и исходный источник.. (Предложено Вальтером Ритцем в 1908 году). Эта модель считалась наиболее полной теорией излучения. (На самом деле Ритц моделировал электродинамику Максвелла – Лоренца. В более поздней работе Ритц сказал, что эмиссионные частицы в его теории должны взаимодействовать с зарядами на своем пути, и поэтому волны (создаваемые ими) не будут сохранять свои исходные скорости эмиссии 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 его источнику. (Предложено Ричардом Чейзом Толменом в 1910 году, хотя он был сторонником специальной теории относительности).
• Свет, отраженный от зеркала, приобретает компонент скорости, равный скорости зеркального изображения первоисточник (Предложен в 1911 г.).
• Модификация теории Ритца – Толмена была введена Дж. Г. Фокс (1965). Он утверждал, что необходимо учитывать теорему вымирания (т.е. регенерацию света в пройденной среде). В воздухе расстояние погасания будет всего 0,2 см, то есть после прохождения этого расстояния скорость света будет постоянной по отношению к среде, а не к исходному источнику света. (Сам Фокс, однако, был сторонником специальной теории относительности.)

Альберт Эйнштейн предположительно работал над своей собственной теорией излучения, прежде чем отказался от нее в пользу своей специальной теории относительности. Много лет спустя Р.С. Шенкленд сообщает, что Эйнштейн сказал, что теория Ритца была «очень плохой» в некоторых местах и ​​что он сам в конечном итоге отбросил теорию излучения, потому что он не мог придумать никакой формы дифференциальных уравнений, описывающих ее, поскольку она приводит к тому, что световые волны становятся «всем». перепутали ».

Де Ситтер ввел следующую схему для проверки теории излучения:

$c\; \text{'}=\; c\; \pm \; kv\; \{\backslash \; displaystyle\; c\text{'}\; =\; c\; \backslash \; pm\; kv\; \backslash ,\}$

где c - скорость света, v - скорость источника, c - результирующая скорость света и константа ka, обозначающая степень зависимости источника, которая может достигать значений от 0 до 1. Согласно специальная теория относительности и стационарный эфир, k = 0, в то время как теории излучения допускают значения до 1. Были проведены многочисленные наземные эксперименты на очень коротких расстояниях, где не могли быть задействованы эффекты «увлечения света» или поглощения, и снова результаты подтвердить, что скорость света не зависит от скорости источника, окончательное исключение эмиссионных теорий.

Астрономические источники

Аргумент Виллема де Ситтера против теории излучения. Согласно простой теории излучения, свет движется со скоростью c по отношению к излучающему объекту. Если бы это было правдой, свет, излучаемый звездой в двойной звездной системе с разных частей орбитального пути, двигался бы к нам с разной скоростью. Для определенных комбинаций орбитальной скорости, расстояния и наклона «быстрый» свет, излучаемый во время сближения, будет обгонять «медленный» свет, излучаемый во время отступающей части орбиты звезды. Можно было бы увидеть много странных эффектов, в том числе (а) как проиллюстрировано, необычные формы переменных кривых блеска звезд, которые никогда не наблюдались, (б) экстремальные доплеровские сдвиги в красный и синий по фазе с кривыми блеска, что подразумевает сильно не кеплеровский орбиты, и (c) расщепление спектральных линий (обратите внимание на одновременное попадание на цель света с синим и красным смещением).

В 1910 Дэниел Фрост Комсток и в 1913 Виллем де Ситтер писал, что в случае двойной звездной системы, видимой с ребра, можно ожидать, что свет от приближающейся звезды будет двигаться быстрее, чем свет от удаляющегося компаньона, и догонит его. Если расстояние было достаточно большим, чтобы «быстрый» сигнал приближающейся звезды мог догнать и обогнать «медленный» свет, который она испускала ранее, когда удалялась, то изображение звездной системы должно выглядеть полностью искаженным. Де Ситтер утверждал, что ни одна из звездных систем, которые он изучал, не показала поведения экстремального оптического эффекта, и это считалось похоронным звеном для теории Ритца и теории излучения в целом, с .

эффектом вымирание в эксперименте де Ситтера было подробно рассмотрено Фоксом, и это, возможно, подрывает убедительность свидетельств типа де Ситтера, основанных на двойных звездах. Однако аналогичные наблюдения были сделаны недавно в рентгеновском спектре Брехером (1977), который имеет достаточно большое расстояние экстинкции, поэтому это не должно влиять на результаты. Наблюдения подтверждают, что скорость света не зависит от скорости источника. .

Ганс Тирринг утверждал в 1926 году, что атом, который ускоряется в процессе излучения за счет тепловых столкновений на Солнце, излучает свет. лучи, имеющие разные скорости в начальной и конечной точках. Таким образом, один конец светового луча обогнал бы предыдущие части, и, следовательно, расстояние между концами увеличилось бы до 500 км, пока они не достигнут Земли, так что простое существование резких спектральных линий в солнечной излучения, опровергает баллистическую модель.

Земные источники

К таким экспериментам относится эксперимент Сада (1963), который использовал метод измерения времени пролета для измерения разницы скоростей фотонов, движущихся в противоположных направлениях, которые были произведены аннигиляцией позитронов. Другой эксперимент был проведен Alväger et al. (1963), которые сравнили время пролета гамма-лучей от движущихся и покоящихся источников. Оба эксперимента не обнаружили разницы в соответствии с теорией относительности.

Филиппас и Фокс (1964) не считали, что Садех (1963) и Альвэгер (1963) достаточно контролировали эффекты 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 несовместимы с моделированным поведением, предполагающим c ± v как с поглощением, так и без него.

Продолжая свои предыдущие исследования, Alväger et al. (1964) наблюдали π- мезоны, которые распадаются на фотоны со скоростью света 99,9%. Эксперимент показал, что фотоны не достигли скорости своих источников и все еще двигались со скоростью света, причем $k\; =\; (-\; 3\; \pm \; 13)\; \times \; 10\; -\; 5\; \{\backslash \; displaystyle\; k\; =\; (-\; 3\; \backslash \; pm\; 13)\; \backslash \; times\; 10\; ^\; \{-\; 5\}\}$. Исследование среды, через которую проходили фотоны, показало, что сдвига экстинкции было недостаточно, чтобы существенно исказить результат.

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

Интерферометрия

Эффект Саньяка демонстрирует, что один луч на вращающейся платформе проходит меньшее расстояние, чем другой луч, что создает сдвиг в интерференционной картине. Было показано, что оригинальный эксперимент Жоржа Саньяка страдает от эффектов вымирания, но с тех пор эффект Саньяка также проявляется в вакууме, где вымирание не играет никакой роли.

Прогнозы версии теории излучения Ритца согласовывались почти со всеми наземными интерферометрическими тестами, за исключением тестов, связанных с распространением света в движущихся средах, и Ритц не считал трудности, связанные с тестами, такими как эксперимент Физо, непреодолимыми. Толмен, 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 с общим ходом, установленного в статической конфигурации Саньяка.. Если стеклянные пластины ведут себя как новые источники света, так что общая скорость света, выходящего с их поверхностей, равна c + v, можно ожидать сдвига интерференционной картины. Однако не было такого эффекта, который снова подтверждает специальную теорию относительности и снова демонстрирует независимость источника от скорости света. Этот эксперимент проводился в вакууме, поэтому эффекты экстинкции не должны играть никакой роли.

Альберт Абрахам Михельсон (1913) и Квирино Майорана (1918/9) провели эксперименты с интерферометром с покоящимися источниками и движущимися зеркалами. (и наоборот), и показали, что нет зависимости скорости света от источника в воздухе. Схема Майкельсона была разработана, чтобы различать три возможных взаимодействия движущихся зеркал со светом: (1) «световые частицы отражаются как снаряды от упругой стенки», (2) «поверхность зеркала действует как новый источник», (3) «скорость света не зависит от скорости источника». Его результаты согласуются с независимостью источника от скорости света. Майорана проанализировал свет от движущихся источников и зеркал, используя интерферометр Майкельсона с разными плечами, который был чрезвычайно чувствителен к изменениям длины волны. Теория излучения утверждает, что доплеровское смещение света от движущегося источника представляет собой сдвиг частоты без сдвига длины волны. Вместо этого Майорана обнаружил изменения длины волны, несовместимые с теорией излучения.

Бекманн и Мандикс (1965) повторили эксперименты Майкельсона (1913) и Майорана (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, этого 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 движущегося в точке c + v от движущихся зеркал, с отраженным светом, гипотетически движущимся в точке c от зеркала Ллойда.

Другие опровержения

Эмиссионные теории используют преобразование Галилея, согласно которому временные координаты инвариантны при смене кадров («абсолютное время»). Таким образом, эксперимент Айвса – Стилвелла, который подтверждает релятивистское замедление времени, также опровергает эмиссионную теорию света. Как показано Говардом Перси Робертсоном, полное преобразование Лоренца можно вывести, если рассматривать эксперимент Айвса – Стиллуэлла вместе с экспериментом Майкельсона – Морли и экспериментом Кеннеди – Торндайка.

Кроме того, квантовая электродинамика помещает распространение света в совершенно другой, но все же релятивистский контекст, который полностью несовместим с любой теорией, постулирующей скорость света, на которую влияет скорость источника.

• История специальной теории относительности
• Тесты специальной теории относительности

• Исаак Ньютон, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica
• Исаак Ньютон, Opticks

1. ^ Фокс, Дж. Г. (1965), «Доказательства против теорий выбросов», Американский журнал физики, 33 (1): 1–17, Bibcode : 1965AmJPh.. 33.... 1F, doi : 10.1119 / 1.1971219.
2. ^ Брехер, К. (1977), "Независима ли скорость света от скорости источника", Письма о физических проверках, 39 (17): 1051–1054, Bibcode : 1977PhRvL..39.1051B, doi : 10.1103 / PhysRevLett.39.1051.
3. ^Толмен, Ричард Чейс (1912), «Некоторые теории излучения света» (PDF), Physical Review, 35 (2): 136–143, Bibcode : 1912PhRvI..35..136T, doi : 10.1103 / Physrevseriesi.35.136
4. ^Ритц, Вальтер (1908), "Recherches critiques sur l'Electrodynamique Générale", Annales de Chimie et de Physique, 13 : 145–275, Bibcode : 1908AChPh..13..145R. См. Также английский перевод Архивировано 14 декабря 2009 г. на Wayback Machine.
5. ^Ритц, Вальтер (1908), «Recherches Critiques Sur les Theories Electrodynamiques». de Cl. Maxwell et de H.-A. Lorentz ", Archives des Sciences Physiques et naturelles, 36 : 209
6. ^Толмен, Ричард Чейс (1910), " Второй Постулат относительности », Physical Review, 31 (1): 26–40, Bibcode : 1910PhRvI..31... 26T, doi : 10.1103 / physrevseriesi.31.26
7. ^Стюарт, Оскар М. (1911), «Второй постулат относительности и теория электромагнитного излучения света», Physical Review, 32 (4): 418–428, Bibcode : 1911PhRvI..32..418S, doi : 10.1103 /physrevseriesi.32.418
8. ^Шенкленд, Р.С. (1963), «Беседы с Альбертом Эйнштейном», Американский журнал физики, 31 (1): 47–57, Bibcode : 1963AmJPh..31... 47S, doi : 10.1119 / 1.1969236
9. ^Нортон, Джон Д.., Джон Д. (2004), «Исследования Эйнштейна ковариантной электродинамики Галилея до 1905 года», Архив истории точных наук, 59 (1): 45–105, Bibcode : 2004AHES... 59... 45N, doi : 10.1007 / s00407-004-0085-6, S2CID 17459755
10. ^Мартинес, Альберто А. (2004), «Ритц, Эйнштейн и гипотеза эмиссии», Physics in Perspective, 6 (1): 4–28, Bibcode : 2004PhP..... 6.... 4M, doi : 10.1007 / s00016-003-0195-6, S2CID 123043585
11. ^ Де Ситтер, Виллем (1913), «О постоянстве скорости света», Труды Королевской Нидерландской академии искусств и наук, 16 (1): 395–396
12. ^Бергманн, Питер (1976). Введение в теорию относительности. Dover Publications, Inc., стр. 19–20. ISBN 0-486-63282-2. В некоторых случаях мы должны наблюдать один и тот же компонент двойной звездной системы одновременно в разных местах, и эти «звезды-призраки» исчезнут и снова появятся в ходе своих периодических движений.
13. ^Комсток, Дэниел Фрост (1910).), «Забытый тип относительности», Physical Review, 30 (2): 267, Bibcode : 1910PhRvI..30..262., doi : 10.1103 / PhysRevSeriesI.30.262
14. ^Де Ситтер, Виллем (1913), «Доказательство постоянства скорости света», Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences, 15 (2): 1297–1298, Bibcode : 1913KNAB... 15.1297D
15. ^Thirring, Hans (1924), «Uber die empirische Grundlage des Prinzips der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit», Zeitschrift für Physik, 31 (1): 133–138, Bibcode : 1925ZPhy...31..133T, doi : 10.1007 / BF02980567, S2CID 121928373.
16. ^Садех, Д. (1963). «Экспериментальные доказательства постоянства скорости гамма-лучей с использованием аннигиляции в полете». Письма с физическим обзором. 10 (7): 271–273. Bibcode : 1963PhRvL..10..271S. doi : 10.1103 / PhysRevLett.10.271.
17. ^Alväger, T.; Nilsson, A.; Кьельман, Дж. (1963). «Прямая земная проверка второго постулата специальной теории относительности». Природа. 197 (4873): 1191. Bibcode : 1963Natur.197.1191A. DOI : 10.1038 / 1971191a0. S2CID 4190242.
18. ^Filippas, T.A.; Фокс, Дж. (1964). «Скорость гамма-лучей от движущегося источника». Физический обзор. 135 (4B): B1071-1075. Bibcode : 1964PhRv..135.1071F. doi : 10.1103 / PhysRev.135.B1071.
19. ^Alväger, T.; Фарли, Ф. Дж. М.; Kjellman, J.; Валлин, Л. (1964), «Проверка второго постулата специальной теории относительности в области ГэВ», Physics Letters, 12 (3): 260–262, Bibcode : 1964PhL.... 12..260A, doi : 10.1016 / 0031-9163 (64) 91095-9.
20. ^Саньяк, Жорж (1913), "L'éther lumineux démontré par l'effet du vent relatif d'éther dans un interféromètre en Rotation Uniforme" [Демонстрация светоносного эфира с помощью интерферометра с равномерным вращением ], Comptes Rendus, 157 : 708–710
21. ^Саньяк, Жорж (1913), "Sur la preuve de la réalité de l'éther lumineux par l'expérience de l'interférographe tournant" [ О доказательстве реальности светоносного эфира экспериментом с вращающимся интерферометром ], Comptes Rendus, 157 : 1410–1413
22. ^Мартинес, А.А. (2004). «Ритц, Эйнштейн и гипотеза эмиссии» (PDF). Физика в перспективе. 6 : 4–28. Bibcode : 2004PhP..... 6.... 4M. DOI : 10.1007 / s00016-003-0195-6. S2CID 123043585. Архивировано из оригинала (PDF) 2 сентября 2012 г. Дата обращения 24 апреля 2012 г.
23. ^Babcock, G.C.; Бергман, Т.Г. (1964), «Определение постоянства скорости света», Журнал Оптического общества Америки, 54 (2): 147–150, Bibcode : 1964JOSA... 54..147B, doi : 10.1364 / JOSA.54.000147
24. ^Майкельсон, AA (1913). «Влияние отражения от движущегося зеркала на скорость света». Астрофизический журнал. 37 : 190–193. Bibcode : 1913ApJ.... 37..190M. doi : 10.1086 / 141987.
25. ^Майорана, К. (1918). «О втором постулате теории относительности: экспериментальная демонстрация постоянства скорости света, отраженного от движущегося зеркала». Философский журнал. 35 (206): 163–174. doi : 10.1080 / 14786440208635748.
26. ^Майорана, К. (1919). «Экспериментальная демонстрация постоянства скорости света, излучаемого движущимся источником». Философский журнал. 37 (217): 145–150. doi : 10.1080 / 14786440108635871.
27. ^Beckmann, P.; Мандич, П. (1965). «Тест на постоянство скорости электромагнитного излучения в высоком вакууме». Журнал исследований Национального бюро стандартов, раздел D. 69D (4): 623–628. doi : 10.6028 / jres.069d.071.
28. ^Робертсон, Х. П. (1949). «Постулат против наблюдения в специальной теории относительности». Обзоры современной физики. 21 (3): 378–382. Bibcode : 1949RvMP... 21..378R. doi : 10.1103 / RevModPhys.21.378.

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