Гипотезу о недоплеровской природе красного смещения подтвердил и фотометрический критерий, предложенный Э. Хабблом и Р. Толменом для выяснения природы красного смещения [35]. Однако сам механизм такого эффекта красного смещения оставался неопределённым. Пионер нелинейной оптики С.И. Вавилов так характеризовал эту неопределённость [39, с. 133]: «Можно ли считать это смещение также доплеровским, вызванным трудно постижимой рецессией туманностей, или же причина кроется в новых, неизвестных нам доселе свойствах света,- это вопрос открытый... Хаббл, установивший самый факт и закон красного смещения, считает, что фотометрические данные не благоприятствуют интерпретации красного смещения как доплерова».
Как отметил С.И. Вавилов [39, с. 133], «изучая свет спиральных туманностей, мы имеем дело с лучами, не испытавшими никаких воздействий со стороны вещества в течение десятков и сотен миллионов лет и существовавшими без всяких воздействий в течение этих громадных периодов», поэтому данный эффект должен отличаться от известных эффектов преобразования частоты при взаимодействии света со средой [1, 6]. Эффект Ритца (2) идеально подходит на роль эффекта преобразования частоты света в космическом вакууме, поскольку не только естественно переходит в хаббловский закон красного смещения, но и снимает все прежние возражения против трактовки красного смещения по гипотезе Белопольского и Цвикки. Красное смещение по эффекту Ритца проявляется аналогично доплер-эффекту: одинаково на всех частотах, ведя к пропорциональному замедлению видимых процессов, согласно формуле (2), что объяснит растяжение длительности вспышек сверхновых Ia в галактиках, пропорционально их красному смещению z = (л' - л)/л [19]. К сходным выводам пришёл и С. Девасиа [42]. По-видимому, впервые эффект красного смещения проассоциировали с эффектом Ритца в 2000 г. А.Н. Тропников - в электронной публикации [43] и А. Сайреника - в электронной публикации [44], упомянутой, например, во втором издании журнала «Advances in Chemical Physics» [45]. Однако в ряде поисковиков эти публикации или их обновлённые версии проиндексированы 2006 и 2009 гг. К тому же, в указанных работах [43, 44] нет объяснения механизма появления именно красного, а не синего смещения, не получено значение постоянной Хаббла, совпадающее с известным и не объяснены парадоксы красного смещения, что однако сделано в независимом анализе [18, 19, 46].
Недоплеровская трактовка красного смещения галактик по эффекту Ритца объясняет и отрицательный результат опыта, предложенного Г. Динглом [47]. Дингл предложил сравнить угол аберрации б звёзд нашей Галактики, испускающих свет со скоростью близкой к c, и угол аберрации б' далёких галактик (удаляющихся, если судить по красному смещению, с огромной скоростью v, т.е. испускающих свет со скоростью c - v). Угол аберрации равен отношению орбитальной скорости Земли V к скорости света от источника, и по баллистической теории углы б' = V/(c - v) и б = V/c различались бы, а по СТО совпадали бы. Наблюдения показали, что углы аберрации звёзд и далёких галактик равны [48], что сочли аргументом против теории Ритца [3, 49]. Но, как отмечал сам Дингл [47] и авторы наблюдений [48], этот вывод справедлив лишь в случае, если красное смещение галактик вызвано их удалением. А эффект Ритца объясняет красное смещение без гипотезы о гигантских скоростях галактик, противоречащих и ряду других наблюдений [50, с. 9].
То есть, баллистическая теория и эффект Ритца не противоречат данным внегалактической астрономии, объясняя красное смещение и его аномалии без гипотез о расширении Вселенной, о тёмной материи и тёмной энергии. Например, аномально высокие красные смещения квазаров и отличающиеся в разы красные смещения у связанных, равноудалённых галактик можно объяснить по эффекту Ритца разницей их ускорений ar, дающих разные Hс = ar/c и разные красные сдвиги [19]. А дефицит красного смещения у наиболее далёких галактик [51] может быть следствием переизлучения межгалактическим газом, становящегося заметным, когда дистанции L сопоставимы с Lef ~ 2·1010 св. лет, по превышении которой вызванное эффектом Ритца красное смещение стало бы расти всё медленней. Примерно на таких дистанциях (L ~ 1010 св. лет, что соответствует красному смещению z ~ 0,8), когда L ~ Lef, и выявлены отклонения от закона Хаббла в виде дефицита красного смещения, интерпретированные как ускоренное расширение Вселенной [51].
На лабораторных дистанциях L ~ 1 м и при технически доступных ускорениях ar источников света сдвиг частоты по эффекту Ритца столь мал, что мог бы регистрироваться лишь при помощи эффекта Мёссбауэра. В опыте Бёммеля (1962 г.) при поступательном ускоренном движении источника г-лучей, действительно, наблюдался сдвиг частоты излучения на поглотителе Дf/f = (f' - f)/f = Lar/c2 пропорциональный дистанции L и ускорению источника ar [3]. Сдвиг частоты регистрировался и при размещении излучателя с поглотителем на быстро вращающемся диске, придающем г-источнику центростремительное ускорение. Сдвиг частоты по эффекту Ритца, рассчитанный с учётом переизлучения в материале диска, совпадает с результатом этих опытов [16].
Таким образом, астрономические наблюдения и лабораторные эксперименты не противоречат существованию эффекта Ритца, хотя обычно трактуются по общей теории относительности. Также на данный момент нет опытов, однозначно доказывающих отсутствие зависимости скорости света от скорости источника, поскольку во всех проведённых опытах либо не учтён эффект переизлучения, либо не измерена напрямую скорость источника излучения [11, 12, 15].
Схемы установок для проверки эффекта Ритца и применения его на практике
Для однозначной проверки эффекта Ритца и трансформации частоты света в разы (или даже на порядки), следует обеспечить в формуле (2) Lar/c2 ~ ±1. Поэтому для лабораторных дистанций L ~ 1 м требуется ar = ±c2/L ~ ±1017 м/с2. Это ускорение недостижимо для светоизлучающих приборов, но его легко сообщить электронам или ионам, которые могут либо сами излучать свет (при возбуждении ионов), либо служить переизлучающими центрами.
Такое ускорение типично для элементарных частиц, летящих с околосветовыми скоростями V ~ с в магнитном поле циклических ускорителей (синхротронов) с радиусом орбит R ~ 1 м (рис. 3). При этом центростремительное ускорение a = V2/R ~ 1017 м/с2. Поэтому в синхротроне эффект Ритца позволит преобразовывать внешнее лазерное излучение при рассеянии на движущихся электронах. Обычно лазерные импульсы, рассеянные электронами, преобразуют эффектом Доплера при достижении лоренц-фактором значений г >> 1 [1, с. 171], что требует мощных ускорителей с большим расходом энергии, а значит с низким КПД преобразования света. Напротив, эффект Ритца позволит трансформировать излучение даже при г ~ 1 в компактных циклотронах, синхротронах и накопителях малой мощности с низкими синхротронными потерями, поскольку уже при V ~ с центростремительное ускорение электронов a ~ a0 ~ 1017 м/с2 (при L ~ R ~ 1 м). При г ~ 1 рассеянное излучение электрона ещё не обладает острой направленностью синхротронного излучения, и максимальная эффективность преобразования ритц-эффектом будет достигнута для излучения, вылетающего вдоль ускорения a электрона, то есть поперёк его скорости,- вдоль радиуса орбиты.
Рис. 3. Схемы трансформаторов частоты лазерного излучения на банчах электронов, циркулирующих в накопителе: для сокращения длины волны л (вверху) и для растяжения длины волны (внизу).
Поскольку при V ~ с время ф ~ R/V пролёта банча электронов через область облучения - порядка наносекунды, то длительность преобразуемых лазерных импульсов должна быть того же порядка: Дt ? ф. Удобно применить генераторы наносекундных или пикосекундных лазерных импульсов, частота повторения которых совпадает с частотой обращения электронных сгустков - с частотой ускоряющего поля в синхротроне или накопителе электронов. Габариты установки по трансформации света можно сократить в разы при пропорциональном сокращении L и R до нескольких см. А уменьшив радиус орбиты электрона R до 100 мкм, без изменения базы L ~ 1 м, скорость электронов можно снизить до V ~ с(R/L)1/2 ~ 0,01с (достижимой даже в электронной пушке), существенно сократив энергозатраты на разгон электронов, генерацию магнитного поля и сократив габариты установки.
Также для придания электронам критического ускорения ar ~ ±1017 м/с2 можно применить электрическое поле. В электрическом поле E ускорение a = Ee/m электрона (где e/m = 1,76·1011 Кл/кг - его удельный заряд) достигает 1017 м/с2 при напряжённости поля E ~ 106 В/м. Для ионов поле должно быть в тысячи раз выше: E ~ 109 В/м. Такие напряжённости поля легко достижимы в существующих установках. А в фокусе лазерного пучка достигнуты даже значения E = 1012 В/м [1].
Рис. 4. Схема установки по проверке эффекта Ритца, преобразующего частоту света и длительность лазерных импульсов, рассеянных ускоренно движущимися электронами.
На основе этого можно предложить схему установки по проверке эффекта Ритца и трансформации частоты света (рис. 4). Установка представляет собой вакуумную камеру, где пучок электронов или ионов приобретает в электрическом поле ускорение ~ 1017 м/с2. Лазерное импульсное излучение с несущей частотой f и длительностью импульса Дt ~ 1 пс фокусируется на пучке и претерпевает томсоновское рассеяние на электронах (или ионах), играющих роль вторичных источников излучения частоты f. Переизлучённый ими свет свободно пролетает в вакууме дистанцию L ~ 1 м до светофильтра (отсекающего излучение частоты f), после чего попадает в спектрометр или детектор, которые в случае справедливости эффекта Ритца зафиксируют сигнал изменённой длительности и частоты (2).
Трансформированная частота f', как видно из (2), зависит от лучевого ускорения электронов ar, а значит, от ускоряющего поля E. Видно, что при ar = -c2/L частота f' стремится к бесконечности, и малая вариация ar, вызванная изменением E или L, вызывает огромное изменение частоты f'. Это открывает простой способ перестройки частоты света из оптического в УФ-, рентгеновский и гамма-диапазон. При обратном знаке поля и ускорения частота будет снижаться, что позволит трансформировать оптическое излучение в инфракрасное и терагерцовое. Отметим, что общая теория относительности не предсказывает подобных сдвигов частоты (2), поскольку для их создания приёмник излучения должен ускоряться вместе с источником, тогда как в установке он покоится.
Эффект Ритца отличен и от эффекта Доплера, который не меняет частоту в ходе переизлучения в прямом направлении. К тому же скорости, приобретаемые частицами за время пикосекундного лазерного импульса Дt ~ 10-12 c, составят V = arДt ~ 105 м/с, то есть они недостаточны для доплеровского преобразования частоты света в разы или для генерации квантов высокоэнергичного тормозного излучения. Генерация электронного пучка и электрического поля короткими импульсами, синхронными с лазерными импульсами, также позволит снизить затраты энергии на эмиссию, разгон частиц и упростить схему генератора высокого напряжения.
Рис. 5. График изменения длины волны л' и длительности импульса Дt' по эффекту Ритца, в зависимости от расстояния приёмника L.
Важная особенность эффекта Ритца состоит в том, что частота, длина волны и длительность преобразованного импульса света зависят от дистанции L, пройденной светом (рис. 5). Анализ этой зависимости при вариации расстояния L до детектора должен стать основным критерием проверки эффекта Ритца.
Ещё один критерий даёт исследование зависимости f ' от угла и (рис. 4), под которым регистрируют излучение. Поскольку эффект Ритца (2) зависит не от абсолютной величины ускорения a, но от его проекции ar = -acosи на луч зрения r, то для него должна выполняться зависимость
. (4)
В полярных координатах угловая зависимость (4) соответствует эллипсу (рис. 6) с фокусом в полюсе (источнике), а параметр е = La/c2 < 1 соответствует эксцентриситету этого эллипса. При критическом значении параметра эксцентриситета е = 1 эллипс превращается в параболу, а максимальная частота f ' становится бесконечной. При е > 1 угловая зависимость имеет вид ветви гиперболы (е > 1) и частота обращается в бесконечность в направлении и0 = arccos(c2/La) асимптот гиперболы с эксцентриситетом е. В пределах угла |и| < и0, где знаменатель отрицателен (т.к. задние фронты обгоняют передние), следует брать модуль частоты: зависимость изобразится второй, но зеркально обращённой (относительно полюса) ветвью гиперболы. Поскольку томсоновское рассеянное излучение линейно поляризовано, то полученное при его трансформации по эффекту Ритца излучение также должно быть линейно поляризованным, особенно при наблюдении под большими углами и. Это открывает путь генерации поляризованных рентгеновских и гамма-пучков.
Рис. 6. Угловая зависимость частоты f'(и), преобразованной эффектом Ритца, при разных значениях параметра е = La/c2.
Главное достоинство эффекта Ритца состоит в возможности неограниченного сжатия длительности импульсов Дt' (2) и неограниченного повышения их пиковой мощности P' (3). Такую возможность открывает одновременное сокращение длительности импульса и длины волны, периода световых колебаний (рис. 5), с пропорциональным уширением спектра. Поэтому длительность импульса, которая ограничена снизу только шириной спектра и периодом световых колебаний [1], может стать сколь угодно малой, а интенсивность - сколь угодно высокой. По сути, в точке F, где L = c2/a (т.е. е = 1) реализуется абсолютная фазовая фокусировка, когда волновые фронты, испущенные в разные моменты, приходят к приёмнику одновременно.