2
Эффект трансформации частоты света при ускорении источника и критерии его экспериментальной проверки
С.А. Семиков
Рассмотрен эффект смещения частоты света, испущенного ускоренно движущимся источником в вакууме, предсказанный баллистической (эмиссионной) теорией света. Исследованы возможные проявления этого эффекта у астрономических объектов. Следствия эффекта сопоставлены с наблюдениями двойных и переменных звёзд (эффект Барра, вариации частоты света, рентгеновские и гамма-вспышки), галактик и квазаров (красное смещение и его аномалии). Предложены решающие эксперименты для проверки данного эффекта и схемы установок для плавного преобразования длины волны и длительности лазерных импульсов без каких-либо фундаментальных ограничений.
Ключевые слова: преобразование частоты света, скорость света, лазерное излучение, фемтосекундные лазерные импульсы, баллистическая теория, томсоновское рассеяние
Введение
Одна из актуальных задач физики состоит в открытии новых способов преобразования оптического излучения в другие частотные диапазоны электромагнитных волн, с возможностью плавной перестройки частоты излучения. Как правило, такую трансформацию осуществляют посредством нелинейных эффектов в среде (генерация гармоник, фазовая самомодуляция, эффект Рамана и т.д.) [1], что налагает существенные ограничения на степень и КПД преобразования частоты света, на предельную мощность и длительность выходного сигнала (ввиду поглощения и оптического пробоя среды).
Ниже будет предложен новый способ плавной трансформации длительности лазерных импульсов и перестройки частоты оптического излучения в любые другие диапазоны электромагнитных волн, за счёт ускоренного движения источника. Данный способ выгодно отличается тем, что трансформация несущей частоты и длительности импульсов осуществляется в вакууме и, таким образом, не имеет указанных ограничений. частота свет баллистический звезда
Эффект преобразования частоты света при ускорении источника и его проявления
Эффект преобразования длительности электромагнитных воздействий от ускоренно движущегося источника был предсказан век назад (в 1908 г.) швейцарским физиком Вальтером Ритцем на основе разработанной им баллистической теории света [2], поддержанной также Дж.Дж. Томсоном, Д.Ф. Комстоком, Р. Толменом и др. [3]. Согласно этой теории, электромагнитные воздействия и свет распространяются, как в корпускулярной теории Ньютона, аналогично потоку частиц, причём источник дополнительно сообщает свою скорость v испущенному свету, движущемуся относительно источника со стандартной скоростью c (скорость света), а относительно приёмника - со скоростью c + v, подобно тому как движущееся орудие придаёт добавочную скорость выстреленным снарядам [4]. Эта механическая модель электромагнитных воздействий удовлетворяла принципу относительности Галилея, объясняя результат опытов Майкельсона, Троутона-Нобла и других попыток выявить инерциальное движение Земли [2, 3]. В рамках теории Ритц объяснил и волновые свойства света [2]. А Дж.Дж. Томсон, применяя к излучению баллистический принцип, вывел верные выражения для полей E и H колеблющегося заряда [5]. Этот изящный вывод до сих пор применяют в курсах физики [6, с. 131].
Основное содержание баллистической теории Ритца, как отметил академик М.А. Ельяшевич [7], составляет бесполевой домаксвеллов подход в электродинамике, восходящий к работам Вебера, Гаусса и Римана. В рамках этого подхода электрические воздействия рассматривались лишь как функции относительных положений, скоростей и ускорений зарядов, а не пустого пространства меж ними. Магнитные, индукционные и даже гравитационные силы в теории Ритца получались в качестве малых поправок к электрической силе от взаимного движения зарядов. Также Ритц описал все электродинамические эффекты и классически объяснил релятивистские эффекты, включая рост массы быстрых электронов и смещение перигелия Меркурия, ещё в 1908 г. верно предсказав величины смещений перигелиев других планет [2] и получив для них формулу, совпавшую с найденной спустя 7 лет Эйнштейном в рамках общей теории относительности [4].
Отметим, что в пользу баллистической теории свидетельствует и ряд космических наблюдений, например космическая радиолокация и лазерная локация [8, 9], а также рассмотренные ниже наблюдения двойных звёзд, экзопланет и красное смещение галактик. Не противоречат баллистической теории и эксперименты по измерению скорости излучения быстро летящих частиц, например,- синхротронного и аннигиляционного излучения [3, 10]. Как показано в работах [11-17], результаты таких экспериментов вполне согласуются с теорией Ритца, если учесть переизлучение средой и верно определить величину и направление скорости излучающих частиц, исходя из теории или прямых измерений. Таким образом, на данный момент у баллистической теории и у закона механического добавления скорости источника к скорости света нет ни одного известного противоречия с экспериментами, но есть ряд подтверждений.
Для однозначной проверки влияния относительной скорости источника на скорость света предлагалось применить и фемтосекундные лазеры (В. Подгорный, В. Соколов), длительность импульсов которых Дt ~ 10-14 с - позволяет измерять соответствующие разности времён хода двух лучей, у одного из которых скорость равна c, а у другого - (c+v), ввиду движения источника со скоростью v. На пути L ~ 10 м эта разность времён Дt = L/c - L/(c + v) = Lv/c2 наберётся уже при разнице скоростей источников v ~ 100 м/с, достижимой в лаборатории. Такой опыт можно поставить в вакууме (для движущегося лазерного источника, или соединённого с ним подвижного конца оптического волокна) или в воздушной среде, если применить неподвижный импульсный лазер, навстречу которому со скоростью v движутся два световода-приёмника, отделённых дистанцией L, скажем, на ободах ультрацентрифуг. По измеренной автокоррелятором задержке импульсов Дt, дающей их скорость в системе приёмников, легко оценить влияние на неё скорости источника относительно приёмников. В этом случае переизлучение воздухом не будет менять скорость света, поскольку источник неподвижен относительно воздуха.
В случае влияния скорости источника на скорость света, если источник ускоренно движется к приёмнику, то волновые фронты, приобретая в моменты испускания всё более высокие скорости, будут догонять друг друга, сокращая длину волны и регистрируемый приёмником период световых колебаний. Если a - ускорение источника, то первый световой сигнал (или фронт), испущенный неподвижным источником со скоростью света с, достигнет приёмника, расположенного на расстоянии L, через время t1 = L/с. Второй сигнал (или фронт), испущенный через малый период dt, когда источник наберёт скорость dv = adt и станет испускать свет со скоростью с' = с + dv, достигнет приёмника через время t2 = dt + L/с' после испускания первого. В итоге сигналы прибудут к приёмнику с меньшим временным разрывом
(1)
Если ускорение a источника направлено от приёмника, то гребни световых волн будут расходиться, наращивая регистрируемые приёмником период световых колебаний dt' ? dt(1 + La/c2) и длину волны л' = сdt' = л(1 + La/c2), по сравнению с длиной волны неподвижного источника л = сdt. Из классической кинематики легко вывести общий закон изменения длительности, длины волны и частоты света [12], соответственно:
, (2)
где ar - лучевое ускорение источника (проекция ускорения на луч зрения r), f - частота неподвижного источника. Этот эффект (2) далее будем называть эффектом Ритца [12, 18, 19]. Отчасти он напоминает нелинейный эффект фазовой самомодуляции [1], который тоже меняет частоту и длину волны пропорционально пройденному светом пути L за счёт неравенства скоростей света в среде.
При этом эффект Ритца выгодно отличается тем, что меняет частоту света в вакууме. Однако до сих пор эффект оставался, по сути, незамеченным, ввиду его малости, поскольку в знаменателе (2) стоит квадрат скорости света. Тем не менее, эффект проявился бы на дистанциях L порядка нескольких световых лет. На это в 1910 г. обратил внимание Д.Ф. Комсток [20], рассмотрев возможные искажения в движении двойных звёзд от периодичного сжатия-растяжения интервалов времени (2) видимого движения звёзд по орбите, в ходе которого периодично меняется проекция ar центростремительного ускорения a звезды (рис. 1). Равномерное движение звёзд по круговой орбите покажется неравномерным, словно звезда движется по вытянутой к Земле эллиптической орбите (возникает мнимый эксцентриситет орбиты е = La/c2). А наблюдаемая кривая лучевых скоростей vr(t), за счёт запаздывания света звезды из точки 1 и опережения из точки 3, примет вместо синусоидальной - пилообразную форму, тоже соответствующую эллиптической орбите. Подобные искажения, как отметили в 1913 г. астрономы Гутник [21] и Фрейндлих [22], реально открыты у спектрально-двойных звёзд в виде эффекта Барра [4, 23], то есть в виде преобладания звёзд с орбитами, вытянутыми в сторону Земли (с долготой периастра щ* возле значения 90°, рис. 1). Этот эффект до сих пор не получил однозначного объяснения. Затем Ла Роза [24] показал, что эффект Ритца проявился бы и в регулярных вариациях яркости и спектра двойных звёзд, что позднее было отмечено и В.И. Секериным [18, 19]. По закону сохранения энергии света, испущенного звездой в интервале Дt и воспринятого в интервале Дt' (2), звезда, которая в отсутствие ускорения излучала бы в апертуру телескопа мощность P, воспримется наблюдателем как обладающая мощностью излучения
. (3)
Кроме того, как отметил Цурхеллен [25, 26], в этом случае эффект (2) должен приводить к изменению частоты и длины волны света, излучённого звездой. Подобные периодичные вариации яркости (3) и длины волны лmax (2) спектрального максимума были реально открыты у цефеид и других физически переменных звёзд, но трактовались по закону смещения Вина Тcлmax = b = const как колебания их температуры Тc и размеров [18, 19]. Когда параметр эксцентриситета е = La/c2 достигает величины е ? 1 и выше, видимая частота и яркость света от двойной звезды изменяется на порядки, создавая, согласно (1-3), короткие мощные импульсы рентгеновского, гамма-излучения или радиоизлучения, аналогичные реально регистрируемым вспышкам сверхновых, барстеров, пульсаров и других переменных звёзд, у которых открыта двойственность и вращение.
Рис. 1. Схема движения звезды по круговой орбите (пунктир) и кривая её лучевой скорости vr(t) (пунктир внизу). Добавление скорости звезды v к скорости света искажает график vr(t) и видимое движение звезды (сплошная линия), соответствующие орбите, вытянутой к Земле. Справа - типичная для экзопланет асимметричная кривая vr(t) (е = 0,25, щ*= 95°).
Таким образом, баллистическая теория и эффект Ритца не противоречат наблюдениям двойных звёзд, вопреки известному аргументу Де Ситтера [27], и позволяют объяснить ряд аномалий звёздных систем, включая эффект Барра и избыточные эксцентриситеты орбит экзопланет. Действительно, эффект Барра отчётливо наблюдается у экзопланет, орбиты которых не могут иметь высоких эксцентриситетов е и неоднородного распределения по щ*. Например, экзопланеты WASP-18b и WASP-33b столь близки к своим звёздам, что должны обладать е = 0. Поэтому кривые vr(t) этих систем, соответствующие эксцентриситетам е = 0,01 и 0,174, считают искажёнными, вероятно, приливными эффектами [28]. Проще объясняет искажения теория Ритца, предсказавшая эффекты [22], открытые у WASP-18b и WASP-33b, где щ* ? 90° [28], а орбитальные скорости v достаточны для искажений. Другие аномалии экзопланет тоже нашли простое объяснение в баллистической теории [29-31].
Искажённая кривая лучевых скоростей соответствует эллиптической орбите лишь в первом приближении, а отклонения, как отметил Э. Фрейндлих [22], имеют вид гармоник орбитального периода, реально выявленных у двойных звёзд и экзопланетных систем. У последних гармоники интерпретируют как реальное существование экзопланет с периодами, относящимися к основному как 1:2, 1:3, 1:4 и т.д. В итоге, согласно [32], уже половине открытых экзопланет начинают приписывать орбитальный резонанс 1:2. Теоретически он возможен, но редок, и форму графиков vr(t) проще объяснить модуляцией скорости света, исказившей синусоиду графика лучевых скоростей и породившей гармоники, примерно так же, как это происходит в клистроне, модулирующем скорость электронов.
Как отметил Дж. Фокс [11], проверяя баллистическую теорию в космосе, следует также учесть переизлучение света межзвёздным газом, так что основную часть пути лучи света движутся с одинаковой скоростью c, утратив избыточную скорость, сообщённую звездой. В итоге, эффективная длина Lef ~ л/(n - 1) (где n - показатель преломления среды), на которой свет, ещё не утратив избыточную скорость, преобразуется по эффекту Ритца (2), и которую Фокс на основании известной концентрации атомов водорода в Галактике (N ~ 1 см-3) оценил в один световой год, оказывается меньше дистанций L звёзд (в сотни и тысячи световых лет). То есть искажения снижаются пропорционально Lef/L,- в сотни раз. Таким образом, малая величина наблюдаемых искажений [3, 27] не противоречит эффекту Ритца.
Эффект Ритца окажется более значим на огромных межгалактических дистанциях L, где к тому же существенно ниже концентрация атомов нейтрального водорода N ? 6·10-11 см-3 [33]. При таком условии, поскольку Lef растёт пропорционально 1/N, получим Lef ? 2·1010 св. лет >> L. То есть переизлучение практически отсутствует для большинства наблюдаемых галактик. В частности, по эффекту Ритца л' = л(1 + Lar/c2) длина волны л света, испущенного видимыми участками ярких галактических ядер-балджей, дающими наиболее интенсивные спектральные линии и обладающими ускорениями, направленными от нас (ar > 0) к центрам галактик, должна расти пропорционально расстоянию L до галактик (рис. 2). Такой эффект напоминает красное смещение в спектрах галактик л' = л(1 + LH/c), открытое Э. Хабблом. Коэффициент пропорциональности H = 74 (км/с)/Мпк (постоянная Хаббла) близок к коэффициенту ar/c, рассчитанному по известным ускорениям ar = Vb2/Rb в галактиках. Взяв за образец нашу Галактику, характеристики которой типичны для спиральных галактик, а балдж имеет радиус Rb = 0,002 Мпк и окружную скорость Vb = 205 км/с [34], получим расчётное значение постоянной Хаббла Hс = ar/c ? 70 (км/с)/Мпк, близкое к измеренной величине H.
Рис. 2. Схема преобразования частоты света по эффекту Ритца у вращающихся ядер галактик. Эффект приводит к закону красного смещения, аналогичному Хаббловскому.
Сам Хаббл доказывал, что красное смещение обусловлено не доплер-эффектом от удаления галактик [35], но неким эффектом постепенного падения частоты света, по мере его движения к нам, а галактики имеют сравнительно небольшие пекулярные скорости. Эту гипотезу выдвинули в 1929 г. астрофизики А. Белопольский [36] и Ф. Цвикки [37]. Её поддержал ряд астрономов и физиков [41], включая К.Э. Циолковского [38] и С.И. Вавилова [39]. Да и позднее многие астрофизики, включая академика В.А. Амбарцумяна, отрицали теорию Большого взрыва и расширения Вселенной, призванную объяснить красное смещение, и отмечали, что можно говорить лишь о локальных движениях галактик, но не о расширении Вселенной в целом. Интересно, что американский физик Д. Джоунс, рассматривая красное смещение галактик как результат эффекта нарастания длины волны света пропорционально пройденному им пути, предположил, что подобный эффект будет наблюдаться при пропускании лазерного излучения по протяжённым световодам [40, с. 150]. Как оказалось, подобный эффект в световодах реально имеет место в виде рамановского смещения частоты, хотя в этом случае он связан исключительно с нелинейными свойствами среды [1].