Абстракт.

При объяснении таких оптических явлений, как аберрация звёздного света и опыт Майкельсона – Морли Специальная Теория Относительности (СТО) сталкивается (по нашему мнению), с определёнными трудностями, которые, однако, оказываются лишь кажущимися и могут быть устранены, если ввести в СТО два предлагаемых авторами дополнения:

А)Гипотеза мобильности, заключающаяся в утверждении, что существует абсолютная, привилегированная система отсчёта, связанная с собственно электромагнитной (световой) волной, которая условно может быть названа

«Световой системой отсчёта» или «С – системой». Данная система отсчёта не является инерциальной. Движения и скорости любых тел и систем относительно этой системы мы будем называть «дополнительными» движениями и скоростями ( к всегда существующей у «С – системы» скорости света).

Б) Гипотеза автокорректировки, заключающаяся в утверждении, что при взаимном относительном движении источника электромагнитных волн и приёмника (наблюдателя), таком, что их взаимная скорость перпендикулярна направлению распространения световых волн, происходит поворот фронта волны на угол φ, где tgφ = β/(1—β² )^1/2,

β=v/c. Этот поворот имеет место и тогда, когда источник и приёмник неподвижны друг относительно друга, но обладают некоторой «дополнительной» скоростью по отношению к «С – системе».

Введение. Описание проблемы.

1. Аберрация звёздного света была обнаружена и объяснена Д. Брэдли в 1727г. Аберрация, т.е. изменение видимого положения светила на небесной сфере, обусловлена конечностью скорости света и движением наблюдателя вследствие обращения Земли вокруг Солнца со скоростью 30км/сек. [ 1,2,3] Строго говоря, Брэдли обнаружил не аберрацию, а её годовое изменение. Если бы Земля двигалась в пространстве равномерно и прямолинейно, обнаружить аберрацию звёздного света было бы крайне затруднительно. Так, не обнаружена «вековая» аберрация. связанная с движением Солнечной системы относительно близлежащих звёзд и вращением «нашей» ветви спирали Галактики вокруг её центра со скоростью ~220км/сек.

Позже Д.Эйри осуществил в 1871г. свой знаменитый эксперимент с телескопом, наполненным водой, и неожиданно получил то же значение аберрации, что и Брэдли, т.е. 20,5″ (дуг. сек.)* Аберрация и опыт Эйри были более или менее удачно объяснены в рамках классической волновой теории света, с привлечением теории Френеля о частичном увлечении света движущейся средой, а также и СТО. [1,2]

Трудность объяснения аберрации с позиций СТО заключается, по нашему мнению, в том, что это объяснение порождает кажущееся противоречие между первым и вторым постулатами СТО. В самом деле, аберрация может наблюдаться при взаимном относительном движении источника света и наблюдателя при условии, что их взаимная скорость перпендикулярна лучу зрения, т.е. направлению распространения световой волны. Простейший мысленный опыт, в котором Земля «останавливается» относительно, скажем, Солнца, а звезда «устремляется» в противоположном движению Земли направлении, порождает вопрос: будет ли и в этом случае на «неподвижной» Земле наблюдаться аберрация? Если допустить верность 2-го постулата СТО о постоянстве скорости света и её независимости от движения источника, то аберрация на Земле не будет наблюдаться. Действительно, свет, испущенный движущимся источником (звездой), не получит никакой дополнительной боковой скорости и поэтому аберрации не будет. С другой стороны, и Земля, и звезда могут считаться ( с определёнными ограничениями) эквивалентными инерциальными системами отсчёта и, следовательно, аберрация должна наблюдаться в обоих случаях, независимо от того, ЧТО относительно ЧЕГО движется – 1-ый постулат СТО. Таким образом, возникает противоречие между первым и вторым постулатами СТО.

{Интересно, что если допустить верность «поперечного» принципа Ритца (иначе называемого «эмиссионным» или «баллистическим»), то тогда излучённая движущимся источником световая волна, должна получить добавочную боковую скорость и аберрация в обоих случаях наблюдалась бы. Однако, принцип Ритца противоречит основным понятиям волновой теории и не подтверждается экспериментами.} [1,2,4-6,8]

2. Опыт Майкельсона – Морли (М-М), отрицательный результат которого объясняется СТО с помощью введения двух эффектов: сокращения длин в направлении движения и замедлением хода времени в движущейся инерциальной системе отсчёта, порождает, тем не менее, трудности в объяснении поведения поперечного движению Земли луча. [1,2,7] Опять же, если верен 2-ой постулат СТО, движение Земли не должно как либо повлиять на этот поперечный луч, и он должен «отстать» от установки Майкельсона – Морли за время его путешествия к отражающему зеркалу и обратно.[1,2,4-7] (Рис.1)То есть отклониться «назад» на 2,2 мм, что легко могло быть обнаруженно, yчитывая высокую чувствительность метода ~ 0,01λ. Во всех литературных источниках , тем не менее, поперечный луч изображают отклоняющимся «вперёд», так, как будто он увлекается движением Земли вперёд, вместе с установкой. Эксперимент М-М, как известно, не обнаружил какого—либо сдвига поперечного луча «назад». Вновь возникает противоречие: если верен второй постулат СТО, этот луч должен отклониться «назад», ведь движение Земли не оказывает никакого увлекающего воздействия на поперечный луч. В то же время, если бы сдвиг «назад» наблюдался бы, это противоречило бы первому постулату СТО, т.е. принципу относительности, о невозможности обнаружения движения Земли относительно «неподвижного» эфира.

Мы заведомо отвергаем здесь идею полностью увлекаемого движением Земли эфира, а также намеренный поворот поперечного луча «чуть вперёд» как несостоятельные и некорректные. Ни опытные данные, ни теоретические положения, ни технические данные установки не подтверждают подобные преположения. [7] Равным образом, по причинам, изложенным ранее, мы отвергаем и объяснение, использующее принцип Ритца.

Ниже мы покажем, что в обоих приведённых примерах вышеуказанные противоречия являются лишь кажущимися и могут быть усранены введением двух дополнительных предположений: гипотезы мобильности и гипотезы автокорректировки.

Гипотеза мобильности и гипотеза автокорректировки.

Гипотеза мобильности (ГМ) утверждает существование абсолютной,

привилегированной системы отсчёта, связанной с собственно электромагнитной (световой) волной, условно называемой «световой системой отсчёта» или «С – системой».

Эта «С – система» не является инерциальной системой отсчёта, как равно она не является неинерциальной системой отсчёта. Любые законы физики не являются инвариантами по отношению к этой системе. Её уникальность состоит в том, что ни одна «обычная» система отсчёта не может покоится относительно «С – системы», и что «С –система» не может быть остановлена. Фотон, как известно, также занимает уникальное место в таблице элементарных частиц.

Движения и скорости любых тел и систем относительно «С – системы» мы будем называть «дополнительными» движениями и скоростями. Все вычисления этих скоростей проводятся по формулам СТО. Инерциальная система отсчёта, существующая в природе или искусственно созданная, не имеющая никакой «дополнительной» скорости относительно «С – системы», ни в какой степени не является прнвилегированной системой отсчёта по отношению к бесконечному множеству других инерциальных систем.

Введение абсолютной системы отсчёта автоматически влечёт за собой и понятие абсолютного движения, что находится в явном противоречии с принципом относительности, отрицающим само существование такого понятия, как не имеющее физического смысла. (Коль скоро нет абсолютного пространства и его материального субстрата – неподвижного эфира). Однако, если предположить, что такое движение принципиально не может быть обнаружено наблюдателем, находящимся внутри инерциальной системы отсчёта, то противоречие это снимается.

Для системы «Источник света – Световая волна – Наблюдатель» возможны две ситуации:

Если источник и наблюдатель находятся в инерциальной системе отсчёта и покоятся друг относительно друга. Тогда нет никакой принципиальной возможности для «внутреннего» наблюдателя обнаружить «дополнительное» движение этой системы, т.е. выполняется принцип относительности.

Если источник и наблюдатель движутся друг относительно друга. В этом случае их движение может быть обнаружено за счёт аберрации и эффектов Допплера (продольного или поперечного).

Обобщая, можно сказать, что существуют три класса систем отсчёта: инерциальные, неинерциальные (ускоренные) и «С – система» — абсолютная, уникальная и привилегированная.

Гипотеза автокорректировки** (ГА) включает в себя три тезиса:

А) При отражении световой волны от «дополнительно» движущегося зеркала, фронт волны испытывает некоторый добавочный поворот на угол φ, где tgφ=v/c, v – «дополнительная» скорость зеркала, с – скорость света, или, точнее, tgφ = β/(1 — β²)^1/2, где β = v/c. То есть, угол падения не равен углу отражения для случая движущегося зеркала. Эта формула есть ничто иное, как выражение для угла аберрации звёздного света.

Б) При «дополнительном» движении источника света относительно «С – системы» или наблюдателя фронт излучённой волны поворачивается «вперёд» (в направлении движения) на тот же угол φ (см. предыдущий параграф).

В) Наблюдатель, находящийся на плоскости, вектор скорости которой лежит в той же плоскости, воспринимает падающую на него перпендикулярно световую волну не как перпендикулярную, а с наклоном «слегка спереди». Угол наклона и в этом случае равен φ, как и в первом параграфе. (Рис.2)

У наблюдателя нет никакой принципиальной возможности отличить такую «перпендикулярную» волну от «истинно» наклонной. Говоря о «наблюдателе», мы имеем ввиду любую систему оптических приборов, cпособных зарегестрировать такие параметры световой волны, как амплитуда, фаза, частота и т.д. Мы не имеем ввиду систему оптических приборов, поворачивающих фронт волны, как зеркала, линзы, диффракционные решётки и т.д. [1,9]

Обе гипотезы являются взаимосвязанными и в большинстве случаев используются вместе.

3. Применение вышеописанных гипотез для случаев аберрации и опыта Майкельсона — Морли.

А) Аберрация. В случае, когда Земля движется, а звезда покоится относительно, скажем, Солнца, наблюдатель на Земле обнаружит, что световая волна от звезды падает на Землю не строго перпендикулярно, а наклонно, слегка спереди согласно тезису «В» гипотезы автокорректировки.

В случае же, когда Земля «покоится», а звезда движется относительно Солнца в противоположном движению Земли направлении, световая волна вновь будет восприниматься наблюдателем на Земле приходящей слегка спереди, как и в предыдущем случае. (Согласно тезису «Б» гипотезы автокорректировки)

Таким образом, используя гипотезу автокорректировки, мы снимаем упомянутые трудности СТО, и устраняем противоречие между обоими постулатами, не жертвуя ни одним из них. Ни принцип постоянства скорости света, ни принцип относительности при этом объяснении не страдают.

Представляется интересным рассмотреть случай, когда плоскость в тезисе «В» заменяется зеркалом. Тогда падающая перпендикулярно на это зеркало световая волна, согласно «В» будет отражаться «назад». Согласно же принципу Ритца, она должна отражаться «вперёд», как увлекаемая движением зеркала. Это положение тезиса «В» гипотезы автокорректировки нуждается, разумеется, в экспериментальной проверке. Однако, именно этот «зеркальный» вариант тезиса «В» вызовет в дальнейшем некоторые трудности при объяснении опыта Майкельсона – Морли.

Б) Опыт Майкельсона –Морли.

Здесь смещение поперечного луча всегда «вперёд» при любой ориентировке установки М –М, легко объясняется тезисами «А» и «Б» гипотезы автокорректировки. Причём будет наблюдаться совпадение хода лучей с теоретически предсказываемыми и экспериментально полученными результатами. (рис.3) Проблема, однако, возникает при попытке последовательного использования всех трёх тезисов ГА, в частности, «зеркального» варианта тезиса «В». (Рис.4) В этом случае мы получили странные результаты: во –первых, оба луча (продольный и поперечный) приходят в телескоп из разных точек полу-посеребрённой пластины (beam—splitter), а не из одной, как это вытекает из описания опыта М-М. Во — вторых, разница в ходе обоих лучей получается иной, чем это рассчитано в конвенциональных описаниях опыта и была опытно подтверждена.

Наиболее неприятный вывод, который следует из последовательного использования всех трёх тезисов ГА (если правомерен и «зеркальный» вариант тезиса «В»), это возможность для «внутреннего» наблюдателя, находящегося в инерциальной системе отсчёта обнаружить своё движение, т.е. обнаружить абсолютное движение относительно «С – системы». Используя только поперечный луч и применяя все три тезиса ГА, мы обнаруживаем нескомпенсированное отклонение поперечного луча «назад» на половину пути отличающееся от конвенционально принятого. Таким образом, возникает формальное противоречие с принципом относительности. «Формальное», поскольку принцип относительности провозглашает отсутствие абсолютного движения относительно привилегированной инерциальной системы отсчёта, коей «С – система» не является!

Нам хотелось бы обсудить опыт М-М с точки зрения гипотезы автокорректировки во всех деталях, но размеры статьи не позволяют это сделать. Следует лишь отметить, что объяснение опыта М-М гораздо сложнее, чем это представлено в конвенциональном толковании.(См. рис.3 и рис. 4 и пояснения к ним)

Возникает вопрос: для чего требовалось вводить гипотезу мобильности, постулируюшую наличие абсолютной и привилегированной системы отсчёта, если до сих пор о ней ни разу не было упомянуто и все объяснения основывались на гипотезе автокорректировки?

Причины две. Первая: необходимость объяснения отклонения поперечного луча вперёд. Ведь в ГА всё время говориться о движении источника или наблюдателя не только друг относительно друга, но и об их движении относительно «С –системы». Более того, даже в случае, когда они оба покоятся друг относительно друга, эффекты ГА должны существовать, если они движутся относительно «С –системы». В первую очередь это относится к опыту М-М, где источник света и наблюдатель неподвижны друг относительно друга. (Опыты Д. Миллера и Р.Томашека с использованием света Солнца и звёзд в качестве источников света, ничего, на наш взляд, принципиально не меняют. Ведь для того, чтобы свет от Солнца или звёзд попал на полу-посеребрённую пластину установки М-М, он неизбежно должен был провзаимодействовать с какой-то оптической системой, находящейся на Земле, и, следовательно, покоящейся относительно установки М-М. Таким образом, эта оптическая система и становится источником света, движущимся вместе с Землёй) [5,6]

Причина вторая: Как объяснить отрицательный результат опыта М-М для неподвижного относительно установки М-М наблюдателя? Применять формулы сокращения масштабов Фитцджеральда – Лорентца и замедления хода времени можно лишь в случае, когда установка движется относительно наблюдателя или относительно чего-то другого. Для Лорентца это было движение установки М-М относительно светоносного эфира и тогда действительно будет наблюдаться сокращение длин (вдоль движения) и замедление хода времени. Но СТО отбрасывает само понятие эфира, как принципиально ненаблюдаемое физическое явление, а значит и несуществующее. Так относительно чего движется неподвижный в системе отсчёта, свяэанной с Землёй, наблюдатель, чтобы объяснить отрицательный результат опыта М-М? Нам не остаётся ничего другого, как ввести «С-систему», относительно которой движется установка М-М, т.е. установка М-М обладает некоторой «дополнительной» скоростью относительно световой волны и для неё, для световой волны, продольное плечо установки М-М действительно сокращается. В то же время, мы не вводим никакой привилегированной инерциальной системы отсчёта. Вводя гипотезу мобильности, мы полностью сохраняем СТО, устраняя лишь трудности, с которыми она сталкивается.

4) Эффекты, связанные с гипотезой мобильности и гипотезой автокорректировки.

Гипотеза автокорректировки предсказывает некоторые эффекты, которые должны наблюдаться при излучении или отражении электромагнитных волн быстродвижущимися объектами, например:

Протуберанцы на Солнце. Здесь, согласно ГА – Б, должны наблюдаться отклонения видимого положения протуберанцев от их действительного расположения по отношению к Солнцу.

Быстродвижущиеся двойные звёзды. В соответствии с тем же тезисом ГА – Б, аберрация будет изменять их видимое положение и порождать кажущиеся положительные и отрицательные ускорения движущихся звёзд, не согласующиеся с Допплеровским сдвигом их спектра. Изменится также и соотношение между продольным и поперечным Допплеровским сдвигом, что будет затруднительно проверить, поскольку аберрация будет «маскировать» поперечный Допплеровский эффект. [10]

Быстродвижущиеся сгустки плазмы и зеркала. В последнем случае, в соответствии с ГА – А и В, будет наблюдаться дополнительный поворот отражённого луча, не соответствующий закону геометрической оптики для неподвижных сред. Ещё раз подчеркнём, что ГА – В предсказывает отражение перпендикулярно падающей на движущееся зеркало световой волны «назад».

Что касается гипотезы мобильности, то тут можно было бы предсказать определённый предвидимый эффект: поперечный эффект Допплера (за счёт орбитального движения Земли) для электромагнитного излучения от уже несуществующего источника – Реликтового Излучения (Микроволновый Космический Фон — в западной терминологии). Поскольку принцип относительности неприменим к неинерциальным системам, а «С—система» не является ни инерциальной, ни неинерциальной, то поперечный эффект Допплера в этом случае не должен наблюдаться. Если же он всё же будет наблюдаем, это лишь может указать на то, что предсказания СТО распространяются также на «С –системы», что не означает, однако, распространение выводов СТО на ускоренные системы отсчёта. Иначе мы возвращаемся к хорошо известному «парадоксу близнецов».

Разумеется, лишь эксперимент может подтвердить или опровергнуть вышеприведённые рассуждения.

Заключение.

Предлагаемая гипотеза мобильности не является столь странной или необычной, как кажется на первый взгляд. Во многих статьях, посвящённых проблемам оптики движущихся сред, часто встречаются фразы, типа: «среда движется относительно электромагнитной волны» или нечто подобное.

В работах, посвящённых Реликтовому Излучению (РИ), также можно встретить высказывания: « реальное движение Галактики по отношению к фиксированному микроволновому фону» ( в обсуждении, так называемой дипольной анизотропии РИ) и т.д. «Аберрация, разумеется, перестаёт быть эффектом первого порядка, если световая волна и наблюдатель не находятся в движении относительно друг друга» — цитата из книги М.Борна. [2]

Более того, вводя «С — систему», мы устраняем неявное использование понятий абсолютного пространства и времени, существующее в физике по сей день. В качестве такого примера возьмём определение скорости.

Скорость точки определяется, как производная пути по времени, где, разумеется, скорость – функция аргументов пути и времени, v=dS/dt.

Но, согласно СТО, путь, расстояние, длина, а также длительность временного интервала есть функции относительной скорости систем и получается замкнутый порочный круг, где скорость есть функция от аргументов, которые сами являются функциями от скорости. Разумнее, на наш взгляд, задавать скорость, как понятие первичное, в долях «С» -скорости света, а пространство и время, как вторичные.

Суммируя всё вышесказанное, заметим, что предлагаемые дополнения содержат один принцип (гипотеза мобильности) и один возможный физический механизм (гипотеза автокорректировки), обьясняющий некоторые эффекты. Оба эти дополнения никоим образом не противоречат СТО, а лишь дополняют и подкрепляют её фундаментальные положения.

Литература.

1. А.Эйштейн, Г.А. Лорентц, Г. Минковский, Г. Вейль., «Принцип относительности»
2. М. Борн, «Эйнштейновская теория относительности»
3. В. Куликов, «Фундаментальные астрономические константы»
4. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сандс, «Фейнмановские лекции по физике»
5. М. А. Тоннела, «Основы электромагнетизма и теории относительности»
6. В. Пановский. М. Филипс, «Классическая электродинамика»
7. А. А. Michelson, „Studies in Optics“, 1995, Dover, New York
8. A. A. Michelson, „Effect of reflection from a moving mirror on velocity of light“, J. Optical Society of America, 1913
9. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, «Электродинамика движущихся сред», 1964
10. H.Ives, G. Stilwell, “An experimental study of the rate of a moving atomic clock”, J. Optical Society of America, V.28. #7, 1938

Примечания.

* Результат эксперимента Эйри может быть объяснён также, если предположить, что показатель преломления среды остаётся постоянным, независимо от направления взаимного движения среды и распространяющейся в ней световой волны. Тогда скорость света в воде в направлении, противоположном скорости Земли, также будет не “v”, равная v_3емли = 30 км/сек, а v’= v/n, где v –скорость Земли, а n – показатель преломления среды. Тогда tgφ = v’/c’ = v/n / c/n = v/c, т.е. результат опыта Эйри.

** Тезисы, приведённые ниже, содержаться частично в работах Френеля и СТО, но в недостаточно, по нашему мнению, подчёркнутой форме. Разумеется, кроме поворота фронта волны, будет наблюдаться и изменение частоты. Однако, рассмотрение этого явления не входило в наши намерения.

11 VII 2002