Баллистическая


Движение света в среде, опыт Физо и принцип Фокса



жүктеу 8.2 Mb.
бет14/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   99

Движение света в среде, опыт Физо и принцип Фокса

Поэтому я буду допускать, что любая заряженная точка испускает в каждый момент времени по всем направлениям фиктивные частицы, бесконечно малые и запущенные при рождении с одинаковой радиальной скоростью c, которые сохраняют своё равномерное движение, независимо от того, какие им встречаются тела.



Вальтер Ритц, "Критический анализ общей электродинамики" [8]
Первый постулат теории относительности о равноправии инерциальных систем, в том числе для явлений оптики и электродинамики, не вызывает сомнений. Однако второй постулат – о независимости скорости света от взаимного движения источника и наблюдателя – не только не доказан опытом, но и противоречит первому (отсюда все парадоксы СТО). Ведь равноправие всех систем вытекает именно из классического закона сложения скоростей. Как показал Галилей, падение тел внутри стоящего и плывущего корабля потому идентично, что в случае движения падающим телам сообщается скорость корабля (Рис. 37). То же свойство обнаружилось у света: для него, как показали опыты Майкельсона и аберрация звёздного света, работало классическое правило сложения скоростей (принятое БТР). Отсюда следовала относительность движения света и первый постулат СТО. Второй же постулат, напротив, абсолютизировал движение света, будто на его скорость c не влияло относительное движение источника и наблюдателя. Не зря Макс Планк называл теорию относительности "теорией абсолютности".

Рис. 37. Движение корабля (амфибии) передаётся падающему телу, которое, как в покое, падает внутри по вертикали. Та же скорость передаётся свету и снарядам (для берегового наблюдателя).

До сих пор, рассуждая о баллистическом принципе - о сложении скорости света со скоростью источника, - мы говорили о движении света в вакууме. Если же электромагнитная волна летит в среде, то, как было отмечено выше, ситуация кардинально меняется, поскольку, проходя через среду, будь то воздух или плотные тела, волна воздействует на электроны среды, приводя их в колебания, отчего те излучают вторичные волны, которые, слагаясь с исходной, рождают явления рефракции, дисперсии и дифракции. Поэтому возникает уже избранная система отсчёта, связанная с материальной средой. Описание волн в такой среде во многом подобно описанию их с помощью эфира. Вот почему теория Максвелла, основанная на эфире, всё ещё используется, не обнаруживая расхождений с опытом. Однако в космосе, в безвоздушном пространстве возникают отклонения от теории Максвелла. Судя по результатам радиолокации и астрономических наблюдений, исчезает преимущественная система отсчёта, связанная с атмосферой, и скорость света уже зависит от скорости источника (Часть 2.).

В данном разделе нас будут интересовать именно опыты в земных лабораториях, где свет движется в среде. Так, в качестве противоречащего БТР приводят известный опыт по влиянию движения источника на скорость света в среде – опыт Физо [153]. Согласно ему, если источник движется навстречу среде со скоростью V, то в среде фазовая скорость света от этого источника уже не c/n, а c/n+V/n2. Паули считал это доказательством того, что скорость источника не складывается по классическому закону со скоростью света. Но, как было сказано, баллистический принцип здесь и не обязан работать, ибо скорость света в среде определяется не одним только источником, а ещё и атомами среды, вторичное излучение которых складывается с начальным, образуя новую волну. Вычислим её фазовую скорость [136, с. 425]. Если свет имеет скорость c+V, то поле единичной падающей волны опишется уравнением E0=eitk'x), где ω – циклическая частота падающей волны, а k'= ω/(c+V)её волновое число.

Эта волна возбуждает в среде вторичные волны интенсивности E1= -ikxbeitkx) [136], где k= ω/c – их волновое число, x – толщина пройденного слоя вещества, излучающего новую волну (Рис. 38), b – безразмерный коэффициент. Поле результирующей волны E= E0+E1= eitkx)(eix(kk')ikxb), что ввиду малости x и (kk')= ωV/c2= kV/c даёт E=eitkx)(1+ ikxV/c ikxb)= eitkx(1+b–V/c)). Здесь kx(b–V/c) – это сдвиг фазы, растущий вместе с пройденным светом путём x и тем самым меняющий фазовую скорость света c*. По сути, волновое число k= ω/c заменяется новым k*= ω/c*= k(1+bV/c). Отсюда c*= ck/k*= c/(1+bV/c). Если V=0, то получим обычную скорость света в среде c*= c/(1+b), где (1+b) – коэффициент преломления n. Если же скорость V отлична от нуля, получим: c*= c/(1+bV/c)= c/(nV/c)≈ c/n+V/n2. Таким образом, в среде движение источника меняет фазовую скорость света не на V, а только на V/n2. Относительно источника скорость света в среде c'= c*–V= c/nV(1–1/n2). Коэффициент 1–1/n2 называют френелевским коэффициентом увлечения.

Рис. 38. Опыт Физо.

Как видим, равноправие систем отсчёта нарушается. Во-первых, свет в среде движется со скоростью отличной от скорости света в этой среде c/n. А во-вторых, не вся скорость источника передаётся свету. Но реально здесь нет никакого противоречия с принципом относительности. Рассмотрим для пояснения известную иллюстрацию принципа относительности, предложенную Галилеем. Галилей показывал, что мы не можем заметить равномерного движения корабля, находясь в его трюме. Предметы в трюме будут падать совершенно также (отвесно вниз) как и в неподвижном корабле. Происходит это оттого, что скорость v корабля сообщается падающим предметам. Но если и сам корабль и падающие в нём предметы движутся по горизонтали со скоростью v, то их относительное движение нельзя заметить. Но так будет только в трюме. Если мы выйдем на палубу корабля, то равноправие уже нарушается. За счёт движения обдувающий корабль воздух порождает встречный ветер, который нарушает симметрию, увлекает предметы. Поэтому брошенные от носа к корме предметы, увлекаемые ветром, будут долетать быстрее и дальше, чем от кормы к носу. Подобно воздуху, увлекающему в опыте Галилея падающие предметы, среда передаёт частично скорость и свету.

Таким образом, если движущийся источник сообщает свою скорость в качестве добавки к скорости света, то при попадании в прозрачную среду за счёт вторичного излучения среды и сложения его с излучением падающей волны эта добавка постепенно исчезнет, как постепенно теряет горизонтальную скорость предмет, выброшенный из окна поезда и тормозимый сопротивлением воздуха. Этот принцип, предложенный Дж. Фоксом [2, 3], имеет существенное значение при изучении многих явлений космоса и особенно важен в лабораторных экспериментах.

Интересно отметить, что некоторые лабораторные эксперименты действительно подтвердили, что свет, проходя сквозь среду, приобретает её скорость. Ведь, согласно БТР, скорость равна c относительно источника. Среда же, через которую проходит свет, сама начинает играть роль источника света. И точно, как показали уже земные эксперименты, скажем опыты У. Кантора [4] и М.И. Дуплищева [47], прозрачные пластинки дополнительно сообщают свою скорость v излучению, отчего скорость световых лучей становится не c, а c+v. Результаты этих экспериментов, несмотря на их тщательную постановку, пытались оспорить и затушевать. Однако достаточно убедительно этого никто не сделал.

Также пытались обнаружить изменение скорости света не у земных источников, а у небесных, имеющих известные скорости. Подобный опыт, выполненный, например Томашеком, дал отрицательный результат [153, 154]. Как заметил Дж. Фокс, это тоже не свидетельствует против БТР, поскольку в наземной установке свет движется не в вакууме, а в атмосфере, следуя в приборе дополнительно ещё и через систему линз и зеркал. А потому принцип относительности и закон сложения скоростей здесь не применимы. Ведь и по Галилею движение корабля незаметно лишь для пассажиров, находящихся в закрытом трюме. Зато на палубе предметы уже не будут падать строго по вертикали, как прежде, а будут сноситься ветром. Вот и свет, имея избыточную скорость V источника, уже не может сохранить её в земной атмосфере, но будет "тормозиться" ею, пока не приобретёт относительно среды стандартную скорость c/n. Так же, к примеру, зажигалка, выроненная из окна поезда, лишь поначалу падает прямо вниз, имея скорость поезда V. Но затем обдув встречным потоком воздуха постепенно сносит её назад, и она полностью утрачивает начальную скорость V.

То же и для света. Когда световой луч на скорости c+V входит в земную атмосферу, то его электрические колебания раскачивают электроны в атомах воздуха. Вибрация электронов рождает вторичное излучение, имеющее скорость c. В итоге, по мере движения луча через атмосферу и приведения им в колебания всё новых электронов, его энергия всё больше рассеивается, переходя в энергию вторичного излучения, летящего со стандартной скоростью c. Как показал Фокс, такое приведение скорости света к c происходит в слое воздуха толщиной около 10 см. Так что к моменту, когда световой луч пройдёт всю толщу атмосферы, его скорость окажется равной c без всяких следов начальной скорости источника. Итак, обнаружить изменение скорости света можно только в вакууме, в отсутствие на пути луча зеркал, линз и сред.

Казалось бы, возникает некое противоречие между принципом Фокса и опытом Физо. Ведь согласно Фоксу информация о скорости источника постепенно теряется и свет по мере движения в среде приобретает относительно среды скорость c/n. С другой стороны, согласно опыту Физо, всё наоборот и скорость света от источника, приближающегося со скоростью V, равна относительно среды c*=c/n+V/n2, независимо от того, какое расстояние прошёл свет. Как согласовать эти два утверждения? Всё очень просто. Фокс рассуждает исключительно о групповой скорости света - о том, с какой скоростью переносится информация, воздействие света, о скорости, определяющей запаздывание сигнала - это скорость движения огибающей световой волны. А в интерферометрическом опыте Физо измеряется, по сути, фазовая скорость света - скорость движения фазы - высокочастотного заполнения импульса световой волны. А фазовая скорость, как известно, может сильно отличаться от групповой как в меньшую, так и в большую сторону. Фазовая скорость может даже превышать скорость света в вакууме, как, например, в волноводах. Поэтому надо очень чётко различать, какая именно скорость измеряется в опытах - групповая или фазовая. Так, в случае опыта Физо мы делали расчёт именно для фазовой скорости, поскольку схема измерения была интерферометрической.

Это различие надо делать не только для света, движущегося в среде, но и для отражённого зеркалом. Групповая скорость света после отражения от зеркала в вакууме становится равной c относительно зеркала, независимо от того, какую скорость имел источник света. Ведь электроны металлического покрытия зеркала, колеблясь под действием падающей волны и переизлучая её энергию, испускают реоны уже со скоростью c относительно зеркала. А для фазовой скорости всё сложнее. Как показал Ритц, фазовая скорость после отражения остаётся равной скорости света c относительно источника, независимо от того сближался ли источник с зеркалом или отдалялся [93]. Ведь по БТР свет – это волна, переносимая реонами, и отражаются не сами реоны, а волна (атомы зеркала могут разве что рассеять частицы, но волну они переизлучат направленно). Ритц показал, что волна, имеющая при нормальном падении на зеркало скорость (c+v), отражается со скоростью (c–v), и наоборот. Иными словами, при отражении фазовая скорость световой волны сохраняется не относительно зеркала, а относительно источника. В его системе отсчёта испущенный и отражённый свет всегда имеет скорость c. Это и есть суть БТР [93, с. 21], существенно отличающая её от других, более поздних и спорных вариантов баллистической теории, где свет переносят фотоны, а скорости испущенного и отражённого лучей различны в системе источника (Рис. 39).

Рис. 39. Скорости излучённого и отражённого света при относительном движении источника и зеркала (а - в системе зеркала, б - в системе источника).

Именно поэтому в интерферометрических опытах с движущимися зеркалами, где измеряется фазовая скорость света, надо учитывать этот найденный Ритцем баллистический закон. И действительно, интерферометрические опыты показывают именно такую зависимость [93]. А из-за того, что понятия фазовой и групповой скоростей смешивают, возникают различные недоразумения, ведущие к тому, что из опытов делают вывод об ошибочности БТР. Подробнее о роли фазовой и групповой скорости и их различии можно прочесть в книге [152].

Причину различия фазовой и групповой скорости можно разобрать на следующем примере. При отражении света зеркалом, как говорилось, скорость света должна равняться c относительно зеркала, поскольку именно с такой скоростью выстреливаются относительно зеркала реоны. Зато фазовая скорость света после отражения может стать и больше c. Понятно, что сигнал со скоростью c+V переноситься не может - он бы опередил реоны, которые и несут свет. Зато фаза, фронты волн внутри импульса вполне могут перемещаться с такой скоростью. Ведь волновое распределение реонов возникает в результате сложения многих световых волн, испущенных разными электронами зеркала. И пучности этого распределения вполне могут двигаться со скоростью большей скорости самих реонов. Точно так же муаровый узор, возникающий при сложении двух расчёсок, может двигаться со скоростью большей скорости расчёсок. Здесь скорость движения расчёсок - это групповая скорость - скорость реонов. А скорость движения муарового узора - тёмных полос, напоминающих интерференционные, - это фазовая скорость. Видим, что смешивать эти понятия недопустимо.





    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет