Преобразование частоты света эффектом Ритца в космосе и лаборатории

Размещено на http://www.allbest.ru//

1

Размещено на http://www.allbest.ru//

Преобразование частоты света эффектом Ритца в космосе и лаборатории

Один из способов преобразования частоты света основан на сообщении движения источнику или переизлучающим свет заряженным частицам [1, 2]. При этом для изменения частоты света в разы или на порядки применяют обычно эффект Доплера, что в рамках специальной теории относительности (СТО) требует скоростей V порядка скорости света c, то есть применения мощных ускорителей заряженных частиц [2, с. 171]. Напротив, в рамках баллистической теории Ритца (БТР) частоту света можно эффективно преобразовывать даже при сравнительно малых скоростях источников и переизлучающих сред [1]. ритц скорость частота

Согласно баллистической теории, источник увеличивает скорость света c' на величину своей скорости V по классическому векторному закону сложения скоростей: c' = c + V. Этот закон косвенно подтверждают результаты астрономических наблюдений, космической радиолокации, GPS и ГЛОНАСС [3, 4]. Так, один из главных аргументов против баллистической теории, основанный на анализе движений двойных звёзд,- не противоречит теории Ритца [1, 5]. При сообщении скорости звёзд V испущенному ими свету, их видимое движение и графики лучевых скоростей исказились бы так, что в дальних участках орбиты движение звёзд казалось бы ускоренным, а в ближних - замедленным, словно орбиты вытянуты в сторону Земли. В 1913 г. Де Ситтер отметил, что эффект не наблюдается, но в том же году астрономы Гутник и Фрейндлих, изучив статистику двойных звёзд, показали, что эффект действительно открыт в виде так называемого эффекта Барра, в соответствии с которым большинство орбит кажутся вытянутыми в сторону Земли [1, 5]. Как показано в монографии [6], имеет место именно искажение графиков лучевых скоростей. Аналогичный эффект обнаружен у экзопланет [1, 7], причём у ряда из них наблюдаемые аномально высокие эксцентриситеты орбит могут быть как раз следствием этих искажений.

Малую величину наблюдаемых искажений, которая и привела Де Ситтера к выводу об ошибочности баллистической теории, Дж. Фокс объяснил в 1965 г. переизлучением света двойных звёзд в межзвёздном газе на дистанции l = л/2р(n - 1) ~ 1 св. года [8], где л - длина волны света, n - показатель преломления газа. В итоге, лучи света лишь начальный участок пути l (порядка 10-3 от полной дистанции звёзд L ~ 103 св. лет) проходят со скоростью отличной от c. А искажения, набранные на этом пути, составляют порядка k = l/L ~ 10-3 от теоретических, в согласии с анализом Де Ситтера [1]. Это же объясняет отсутствие искажений у двойных рентгеновских пульсаров, для которых, согласно К. Брэчеру [9], величина искажений составляет k < 10-9 от теоретической. Однако эта величина согласуется с баллистической теорией, если учесть по Фоксу [8], что рентгеновские лучи переизлучаются в общей атмосфере рентгеновских пульсаров. Для рассмотренных Брэчером систем Cen X-3, Her X-l, SMC X-l, при орбитальных периодах P ~ 1 сут и скоростях V ~ 100 км/с, радиусы орбит пульсаров составят R ~ PV ~ 10 млн. км, то есть орбиты лежат внутри короны главной звезды. Действительно, расстояние R сравнимо с размером внешней атмосферы - короны звёзд, где, например, для Солнца [10, с. 625], концентрация ионов N ? 108 см-3. Согласно [9], l ? (лa0N)-1 ~ 2·1011 м ~ 200 млн. км ~ 1 а.е., где длина волны рентгеновских лучей л ? 2·10-11 м, классический радиус электрона a0 = e2/mc2 ? 2,82·10-15 м. Эта длина l сравнима с R и характерным размером корон звёзд. То есть, у таких рентгеновских пульсаров переизлучение происходит внутри короны главной звезды. И при дистанции пульсаров L ~ 10 кпк [9], в рамках БТР k = l/L < 10-9, в согласии с результатом Брэчера. Кроме того, недооценено переизлучение рентгеновских лучей межзвёздным газом. Итак, аргументы Брэчера и Де Ситтера свидетельствуют не против, а в пользу баллистической теории.

Результаты космической радиолокации тоже свидетельствуют в пользу теории Ритца [3, 4]. Например, измеряемая радаром дистанция Венеры систематически превышала расчётную при отдалении Земли от Венеры, ввиду снижения скорости радиосигнала и переоценки измеренной по задержке дистанции L. А при сближении планет измеренная дистанция получалась меньше расчётной, ввиду роста скорости радиосигнала. При концентрации электронов в межпланетной плазме N ~ 0,1 см-3 [10, с. 398] и рабочей длине волны л ~ 0,3 м (f = c/л ~ 1 ГГц), длина переизлучения l ? (лa0N)-1 ~ 12·109 м, что сравнимо с минимальным расстоянием между планетами L ~ 42·109 м. Видимо, за счёт этого, при росте дистанции Земля-Венера, по достижении расстояния L ~ 1010 м величина ошибок измерения L прекращала расти [4].

Так же и в системах спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС обнаружены систематические ошибки измерения дистанций. В моменты, когда лучевая скорость спутника равна нулю, и по баллистической теории скорость сигнала точно равна c, ошибка измерения дистанций - минимальна [3, 4]. Также открыто, что для приёмников в высоких широтах ошибка измерения дистанций спутников выше, чем в умеренных и экваториальных. С точки зрения баллистической теории, причина этого в том, что радиосигналы в космосе достигают приёмника, расположенного в высоких широтах, без переизлучения (рис. 1). Ведь концентрация ионов в плазмосфере Земли (простирающейся до 2-х радиусов Земли) составляет N = N1 ~ 102 см-3, откуда при рабочей длине волны л ~ 1 см и частоте радиосигналов f = c/л ~ 30 ГГц длина переизлучения l ? (лa0N)-1 ~ 356000 км, что много больше общего пути радиолуча L ~ 20000 км, и переизлучения нет. В ионосфере при концентрации ионов N ~ 106 см-3 на высоте ~ 100 км получим l ~ 35 км. Однако высота ионосферы ~ 100 км, и основную часть пути радиосигналы в космосе движутся с избытком скорости c'. Соответственно, ошибка измерения дистанции L максимальна - порядка десяти метров.

Рис. 1. Схема радиационных поясов Земли и GPS-радиолокации.

Для приёмников в умеренных и экваториальных широтах радиосигнал пересекает радиационные пояса Земли (рис. 1), где N = N2 ~ 107 см-3, а длина переизлучения l ? (лa0N)-1 ~ 4 км. То есть, переизлучение в поясах толщиной b ~ 1000 км успеет привести скорость радиосигнала c' к номинальной c: сигнал переизлучится примерно на половине пути L между спутником и приёмником, а ошибки снизятся в разы. Другие радарные измерения, скажем у АМС «Пионер-10,-11», тоже свидетельствуют в пользу теории Ритца [3, 4]. Таким образом, данные астрономии и космической радиолокации подтверждают зависимость скорости света c' от скорости V источника.

Если эта зависимость выполняется, будет справедлив эффект Ритца [1, 4]. Согласно ему источник, движущийся от наблюдателя с ускорением a (его проекция на луча зрения r - лучевое ускорение ar > 0), в каждый последующий момент времени сообщает свету всё меньшую скорость, и световые фронты отстают друг от друга, наращивая длину волны л до значения л' = л(1 + La/c2), снижая частоту света f и его концентрацию в пространстве пропорционально пути L, тем самым снижая его яркость W [1]. Напротив, источник, движущийся к наблюдателю с ускорением a (лучевое ускорение ar < 0), постепенно сообщает свету всё бульшую скорость, и световые фронты догоняют друг друга, сокращая л до л' = л(1 - La/c2), повышая частоту f и концентрируя свет в пространстве, наращивая его яркость W. В общем случае [1, 7] изменение длины волны л', частоты света f ' и регистрируемой мощности излучения W' имеет вид, соответственно,

л' = л(1 + Lar/c2), f ' = f /(1 + Lar/c2), W' = W/(1 + Lar/c2). (1)

Подтверждением эффекта служит красное смещение галактик л' = л(1 + LH/c), растущее как раз пропорционально дистанции L [1, 5]. А измеренная величина ускорения в видимых участках галактик ar < 0 даёт коэффициент пропорциональности ar/c близкий к измеренной величине постоянной Хаббла H.

В пользу эффекта свидетельствует и ряд физически переменных звёзд: цефеид, сверхновых и т.п. По гипотезе Ла Розы эти объекты - обычные двойные звёзды, регулярно меняющие яркость и спектр за счёт вариаций ar при движении по орбите. В ряде случаев преобразование частоты света столь велико, что оптическое излучение звезды переводится в радиодиапазон (если f ' снижено в 103-107 раз относительно f) или в рентгеновский и гамма-диапазон (f ' повышено в 103-107 относительно f). Это объясняет природу источников радио-, рентгеновского и гамма-излучения: пульсаров, барстеров, квазаров, радиогалактик, сейфертовских и взрывающихся галактик. По теории Ритца они могут оказаться рядовыми звёздами и галактиками [11], с оптическим спектром, переведённым эффектом Ритца в другие частотные диапазоны.

Это ставит под сомнение аргумент Брэчера, полагавшего, что эффект переизлучения не скажется на скорости рентгеновских и гамма-лучей, т.к. для них l >> L [9]. Если же рентгеновские импульсы пульсаров представляют собой обычный свет звёзд, преобразованный эффектом Ритца, то на участке пути, где свет ещё не преобразовался в рентгеновский диапазон, переизлучение идёт на длине l ~ 1 св. года. Брэчер полагал, что механизм генерации гамма-излучения - синхротронный, а скорость его источников-электронов V > 0,1c, откуда по длительности dt гамма-всплесков нашёл k = (с2/2V)(dt/r) < 10-20 [12]. Но реальный механизм генерации гамма-вспышек барстеров (GRB), как отмечал Брэчер, не выяснен. И если гамма-излучение - это оптическое излучение звёзд, повысившее частоту по эффекту Ритца, то истинные скорости V - на порядки ниже, а k - на порядки выше и соответствует прогнозу баллистической теории.

То же верно для галактик - источников радио-, гамма- и рентгеновского излучения. Сила тяготения в ядрах галактик создаёт центростремительные ускорения a, и на ближней к Земле стороне галактик и звёзд, где ar > 0, свет преобразуется эффектом Ритца в радиодиапазон, а на обратной стороне, где ar < 0, свет переводится в рентгеновский и гамма-диапазон. Тогда обычные галактики наблюдаются как квазары, радиогалактики, сейфертовские галактики, и для них эффект Ритца подтверждается сравнимостью мощности их радиоизлучения, рентгеновского и гамма-излучения с типичной мощностью оптического излучения галактик. Роль эффекта Ритца подтверждает выявление этих объектов лишь с определённых дистанций L, поскольку сдвиг частоты по эффекту (1) пропорционален L, и свет переводится в другие частотные диапазоны лишь с дистанции L ? c2/a. По той же причине концентрация и радиояркость квазаров и радиогалактик растёт при удалении [13] от перевода всё большей части света в радиодиапазон.

Долгое время не удавалось объяснить и быстрые вариации яркости квазаров и радиогалактик. В рамках эффекта Ритца их удаётся объяснить тем, что свет, пересекая облака межгалактического газа, переизлучается и далее не преобразуется. В зависимости от концентрации ионов N межзвёздной среды, будет быстро меняться l, эффективность переизлучения и видимая яркость галактики в оптическом и радиодиапазоне, без изменения истинной мощности излучения галактики. Концентрация ионов может быстро меняться в большом объёме, например, при прохождении фронта ионизующего излучения. В итоге, свет, пересёкший такой объём газа, на Земле покажется мгновенно изменяющим свою яркость. Примерно так и свет звёзд кажется быстро мерцающим, меняющим частоту, ввиду рефракции и переизлучения в быстро меняющейся атмосфере Земли, хотя истинная яркость звёзд не изменяется за столь краткие времена.

Вклад переизлучения особенно велик в нашей Галактике, где концентрация атомов выше: N ~ 1 см-3. Это объясняет спектр космических мазеров и эмиссионных туманностей вокруг звёзд [14, 15]. Поскольку эффективность поглощения и рассеяния света нарастает возле резонансных частот линейчатого спектра атомов и молекул, то свет звёзд, по мере движения плавно меняющий частоту по Ритц-эффекту (1), будет эффективно поглощаться и переизлучаться по достижении частотой света f ' этих резонансных частот f0i. Действительно, показатель преломления n стремительно растёт возле резонансных частот f0i = c/лi:

,

где Si - коэффициенты, характеризующие концентрации, массы, заряды и силы осцилляторов в молекулах газа. В итоге, для этих частот длины переизлучения li = лi/2р(n - 1) снижены: свет эффективно поглощается и переизлучается возле данных частот, и далее эффект Ритца не меняет частоту света. Тогда значительная доля мощности излучения звезды высвечивается в виде ярких эмиссионных линий на частотах f0i. Это объясняет существование эмиссионных туманностей, в том числе вокруг цефеид и сверхновых, для которых эффект Ритца особенно велик [15]. В случае перевода оптического излучения по эффекту (1) в радиодиапазон, почти вся энергия звезды высвечивается в виде радиолиний молекул OH, H2, H2O и т.д. Подобный эффект наблюдается в космических мазерах, природа которых до сих пор не выяснена [10]. Эффект Ритца элементарно объясняет такое преобразование частоты света и то, почему эффект наблюдается у красных гигантов и переменных типа Миры Кита, у которых переменность как раз можно объяснить эффектом Ритца. Напротив, энергия излучения звёзд, повысившего частоту по эффекту Ритца, может высветиться в виде рентгеновских и гамма-линий атомов и ядер, что реально наблюдается [10].

Эффект Ритца (1) может быть проверен в земных лабораториях на длинах L ~ 1 м, в том числе с целью преобразования импульсов лазерного излучения в импульсы рентгеновского, терагерцового и СВЧ-излучения [1, 5]. Для этого лазерное излучение должно пройти сквозь сгусток электронов, ускоряемых электрическим полем E. В случае преобразования света в рентгеновский или ТГц-диапазон, достаточно ускорять электроны в поле напряжённостью E = 106-109 В/м [1].

Ускорение ac ~ c2/L ~ 1017 м/с2, достаточное для изменения частоты света в разы, электронам может сообщать и магнитное поле в синхротронах, поскольку при радиусе орбиты R ~ 1 м центростремительное ускорение a = V2/R достигает значения ac ~ 1017 м/с2 при скорости электронов V ~ c, достижимой в синхротронах (рис. 2). Преобразование частоты происходит после рассеяния света на ускоренно движущихся электронах, становящихся вторичными источниками излучения. Частота и длина волны света при этом преобразуется по формуле (1), но лучевое ускорение ar ? a = V2/R и зависимость л' = л(1 + La/c2) выглядит сложнее [7], т.к. меняется не только направление скорости, но и направление на источник A.

Рис. 2. Схема движения электронов по орбите синхротрона и изменения их лучевой скорости для приёмника С.

Действительно, из рис. 2, где изображена орбита электрона e, видно, что лучевая скорость (проекция скорости V на r - луч зрения CA из приёмника C) равна Vr = Vsinб, где б = в - ц. При малости углов в и ц, опирающихся на общее основание AB, получим в ? цOB/CB = цR/L. Отсюда Vr = Vsin[ц(R - L)/L] ? -Vцx/L, где x = (L - R) - смещение приёмника C от центра орбиты O электрона. Лучевое ускорение ar = dVr/dt ? -Vщx/L, где щ = dц/dt - угловая скорость электрона, откуда

f ' = f/(1 + Lar/c2) = f/(1 - xV2/Rc2). (2)

В предельном случае (x = 0), если приёмник C в центре орбиты O, f ' = f.

В другом предельном случае, если приёмник лежит возле линии полёта электрона (L = 0, x = -R), и в ближайшей окрестности точки B это движение можно считать прямолинейным, получим f ' = f/(1 + V2/c2). По сути, эффект Ритца переходит в выражение поперечного эффекта Доплера, но удвоенной величины. Для прямолинейного движения частота меняется не от вариаций скорости V, а от изменения направления CA на источник. Ранее тот же результат был получен в рамках классического эффекта Доплера в системе отсчёта приёмника [16, 17]. Это показывает частичную эквивалентность эффектов Доплера и Ритца, в ряде случаев переходящих один в другой, в зависимости от системы отсчёта [15].

Наконец, в третьем предельном случае, когда расстояние L >> R (x ? L), можно пользоваться классической формулой (1), приняв ar ? a = V2/R, поскольку при движении источника направление на него практически не меняется, ввиду его дальности. Именно этот случай реализуется для звёзд и галактик, где радиусы орбит R исчезающе малы по сравнению с расстояниями L до них. Наиболее общий случай преобразования частоты света при разных вариантах движения источника и приёмника рассмотрен в работе В.П. Золотухина [17]. Отметим, что в теории Ритца свойства синхротронного излучения (диаграмма направленности и спектр) соответствуют опытам и выводам СТО, если учесть, что в классическом случае для ультрарелятивистских электронов скорость V ? гc [15]. Это же объясняет зависимость мощности W излучения электрона от г-фактора: W ~ a2 = V4/R2 = г4c4/R2, в согласии с результатами экспериментов.

При достижимых в лаборатории ускорениях источников света изменение длины волны эффектом Ритца столь мало, что может быть зарегистрировано только по эффекту Мёссбауэра. Действительно, эффект регистрировался, скажем для источника и поглотителя гамма-лучей на роторе, крутящемся с угловой скоростью щ [18]. Так, при размещении источника на ободе ротора, а поглотителя - в центре O, частота f ' = f, согласно (2). Однако длина волны г-излучения на поглотителе лґ = cґ/f ґ преобразуется по сравнению с исходной л = c/f, так как скорость света, регистрируемая на поглотителе, cґ ? c. При скорости поглотителя V = щR получим

, (3)

откуда лґ = cґ/f ? л(1 + щ2R2/2c2) ? л(1 + V2/2c2), что совпадает с результатом опытов и общей теории относительности и с выводом СТО о величине поперечного эффекта Доплера [15, 18].

В общем случае, если источник 1 находится на расстоянии R1 от центра ротора O, а приёмник 2 - на R2 (рис. 3), регистрируемая частота не меняется (f ' = f, т.к. расстояние 1-2 неизменно), скорость источника V1 = щR1, а приёмника V2 = щR2. Из (3) в лабораторной системе отсчёта скорость света c', идущего в направлении поглотителя,

.

А для скорости света c'', поступающего в поглотитель, в его системе отсчёта получим из параллелограмма скоростей (рис. 3)

В таком случае Дл = лґ - л = cґ/f - c/f = лщ2(R22 - R12)/2c2 и Дл/л = щ2(R22 - R12)/2c2, что совпадает с результатами всех известных опытов с применением эффекта Мёссбауэра [15, 18].

Рис. 3. Схема изменения скорости света и длины волны на роторе по эффекту Мёссбауэра.

Таким образом, выводы баллистической теории соответствуют результатам астрономических наблюдений и лабораторных экспериментов. Для однозначной проверки баллистической теории следует напрямую измерить скорость света cґ от подвижного источника и преобразование частоты света по эффекту Ритца при рассеянии света на движущихся с ускорением заряженных частицах.

Выражаю признательность проф. М.И. Бакунову за обсуждение особенностей эффекта преобразования частоты света в синхротроне. Работа выполнена в рамках программы развития «ННГУ-НИУ».

Литература

1. Семиков С.А. // Вестник ННГУ. 2013, №4(1). С. 56-63.

2. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. М.: Физматлит, 2008. 208 с.

3. Семиков С.А. // Труды 1-й российско-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной радиоэлектроники», посвящённой 110-летию со дня рождения О.В. Лосева / Под ред. А.Э. Рассадина. - Н. Новгород: Нижегородская радиолаборатория. 2013. В 2-х т. Т. 1. С. 236-240.

4. Семиков С.А. // Журнал радиоэлектроники. 2013, №12. С. 1-32.

5. Семиков С.А. // Нелинейный мир. 2014, №6. С. 3-15.

6. Бэттен А. Двойные и кратные звёзды. М.: Мир, 1976. 323 с.

7. Семиков С.А. // Вестник ННГУ. 2014, №1(2). С. 180-185.

8. Fox J.G. // Am. J. Phys. 1965. V. 33. P. 1-17.

9. Brecher K. // Phys. Rev. Lett. 1977. V. 39. P. 1051-1054.

10. Физика космоса. М.: Советская энциклопедия, 1986. 783 с.

11. Масликов С.П. // Физическая мысль России. 1998, №1. С. 48-57.

12. Brecher K. // Bulletin of Physics News. 2000. №484. May 11.

13. Силк Дж. Большой взрыв. М.: Мир, 1982. 392 с.

14. Семиков С.А. // Инженер. 2014, №3-4. С. 20-23.

15. Семиков С.А. Баллистическая теория Ритца и картина мироздания. 3-е изд. Н. Новгород: Перспектива, 2013. 612 с.

Размещено на Allbest.ru