К вопросу об эффекте Рёмера-Доплера

К ВОПРОСУ ОБ ЭФФЕКТЕ РЁМЕРА-ДОПЛЕРА

к. т.н., доцент

Филиал ГОУ ВПО «ОмГПУ» в г. Таре

В 1676 году в Парижской обсерватории О. Рёмер*, наблюдая за спутником Ио планеты Юпитер, заметил, что время обращения спутника, определяемое по моментам выхода спутника из тени, периодически меняется. Эта периодичность имеет только одно разумное объяснение. Её причиной является движение Земли вокруг Солнца [1].

В момент максимального сближения Земли с Юпитером (рис. 1) в положении 1 период обращения спутника Ио суток = секунд. При движении Земли к положению 2 период начинает увеличиваться и при достижении этого положения достигает своего максимального значения . Далее период опять уменьшается и в положении 3 вновь становится равным .

 

2

Свет от Ио

 

Ио

Свет от Ио

 

3 1

Земля Юпитер

Свет от Ио

 

4

Рис. 1. Принципиальная схема наблюдений О. Рёмера.

При последующем движении Земли период обращения спутника Ио продолжает уменьшаться и в положении 4 достигает своего минимального значения . Затем он вновь начинает расти.

Максимальное приращение периода Ио секунд. Примерно такое же и уменьшение секунд. Во всех остальных промежуточных положениях Земли на орбите изменение периода Ио пропорциональны составляющей скорости Земли относительно Юпитера по прямой Земля-Юпитер. Период увеличивается, если Земля удаляется от Юпитера, и уменьшается при приближении к нему.

Так как угловая скорость обращения Юпитера вокруг Солнца много меньше угловой скорости Земли (год Юпитера равен почти 12 земным годам), то в течение земного года положение Юпитера изменится незначительно, и этим изменением можно пренебречь.

L кВт

 

Lmax

км

0 Восход а Закат b Восход

Юпитер Земля

 

Рис. 2. Распределение светимости спутника Ио вдоль прямой Земля-Юпитер.

Очевидно, реальный период обращения спутника Ио вокруг Юпитера есть величина постоянная . За этот промежуток времени свет от спутника распространится на расстояние , где скорость света. Отрезок пути состоит из двух частей: – светлой (когда Ио виден) и темной части (когда Ио находится в тени Юпитера). Этот путь соответствует одному витку обращения спутника вокруг Юпитера. Несколько последовательных витков спутника будут соответствовать цепочке из одинаковых звеньев , которую можно описать периодической кривой в виде функции распределения светимости вдоль прямой Земля-Юпитер (рис.2).

Это мгновенная «фотография» распределения светимости. Данная кривая распределения движется в сторону Земли со скоростью света , когда проекция скорости движения Земли на прямую Земля-Юпитер равна нулю (положения 1 и 3). Следовательно, в точках 1 и 3 (рис.1) наблюдаемый период обращения Ио будет отвечать его истинному значению

. (1)

В положении 2 (рис.1) проекция скорости движения Земли на прямую Земля-Юпитер равна линейной скорости ее орбитального движения вокруг Солнца км/сек. Если предположить, что скорость распространения фронта излучения света от Ио относительно Земли уменьшится, так как Земля в точке 2 будет убегать от Юпитера, и составит величину , то это объяснит причину увеличения периода обращения Ио на секунд:

, (2)

откуда

.

В положении 4 (рис.1) Земля относительно Юпитера будет двигаться приблизительно с той же скоростью км/сек, но уже навстречу световому потоку от Ио. Поэтому можно предположить, что скорость этого потока относительно Земли станет равной , и тогда период обращения Ио должен уменьшится на секунд. Следовательно,

. (3)

В данных рассуждениях предполагалось, что скорость света подчиняется классическому правилу сложения скоростей вопреки «специальной теории относительности» (СТО). Правильность данного предположения подтверждается и верностью вычисления значения скорости света из полученных выше соотношений. Из (2) и (3) имеем

,

откуда

.

Рассмотренное явление имеет прямую аналогию с эффектом Доплера [2]. Распространение акустических волн в упругой среде – это движение со скоростью звука a периодической кривой с чередованием гребней и впадин, которая подобна кривой распределения светимости L (рис.2). Разница лишь в том, что вместо L эта кривая описывает неравномерное распределение давления p в упругой среде.

Если источник звука неподвижен относительно приемника, то его частота (величина обратная периоду колебания) , где длина звуковой волны, скорость звука. Если источник звука приближается к нам со скоростью , то звуковые волны приближаются к нам со скоростью , и мы слышим звук более высокой частоты . А при удалении источника звука с той же скоростью слышится звук более низкой частоты .

Эффект Доплера правильнее следовало бы называть эффектом Рёмера-Доплера, ибо сформулированный в 1842 году Кристианом Доплером принцип акустики и оптики, который впоследствии стали называть эффектом его имени, еще за 66 лет до Доплера был не только открыт Оле Рёмером, но теоретически обоснован с позиций классической физики.

Эффект Рёмера-Доплера имеет место и для электромагнитного излучения. Наблюдаемое в астрономии красное смешение в спектре удаленных источников света говорит о космологическом расширении вселенной. Чем дальше от нас источники света, тем с большей скоростью эти объекты удаляются от нас и тем ниже частота их светового излучения, которую мы наблюдаем. Однако реальная частота излучения при этом есть , где длина волны электромагнитного излучения.

Здесь в формулах символ использовался для обозначения конечной длины участка, представляющего собой периодически повторяющуюся пару «гребень-впадина» (рис. 1). Эта длина во всех рассмотренных выше явлениях считалась постоянной величиной, не зависящей от скорости движения относительно наблюдателя источника возмущения. Несмотря на существенную разницу значений в различных явлениях (в наблюдении за спутником Ио – это её максимальное значение, – а её минимальное значение соответствует длине волны фиолетового цвета – разница более чем в раз) эта величина характеризует во всех явлениях одно и то же – длину движущегося объекта.

Согласно СТО длина движущегося стержня в направлении его линейного размера должна изменять его длину с точки зрения неподвижного наблюдателя. Для «объяснения» опыта Майкельсона Лоренц предложил формулу действительного одинакового сок­ращения длин как в направлении движения, так и во встречном направлении. Это предложение почти сразу же вызвало возражение со стороны специалистов по твердому те­лу, которые попытались измерить вполне ощутимые напряжения в быстро движущемся теле, вызванные этим сокращением, и не обнаружили даже намека на них. Казалось бы, такой результат на фоне изначальной абсурдности самого предложения с позиций обычного здравого смысла должен был раз и навсегда похоронить это сокращение. Однако во имя спасения этого абсурда Эйнштейн изобретает якобы действи­тельные возрастание массы и замедление времени движущегося тела, которые математически компенсируют вызванный сокраще­нием длин натяжения, делая их неизмеримыми. Формально концы с концами сошлись, однако, физического смысла в этом математическом упражнении уже нет никакого [3]. Покажем, почему это так.

Пусть к наблюдателю приближается стержень длины со скоростью . В момент, когда передний конец стержня (обозначим его точкой ) поравняется с наблюдателем, изображение его второго конца (обозначим его точкой ) еще не «долетит» до наблюдателя, поскольку скорость передачи этого изображения конечна и равна скорости света. За дальний конец стержня наблюдатель примет точку , в которой этот конец находился несколькими мгновениями раньше. Поэтому наблюдатель будет видеть несколько вытянутое изображение стержня.

Кажущаяся длина стержня , где длина отрезка , то есть путь, который успевает пройти конец за время . Тогда и , откуда следует, что

. (4)

В момент, когда конец поравняется с наблюдателем, он будет видеть вместо конца точку , в которой этот конец был ранее. При этом изображение стержня сожмется, а его кажущаяся длина вычисляется аналогично:

. (5)

При этом никаких физических изменений со стержнем не происходит, лишь его изображения искажаются в связи с конечностью скорости света. Найдем среднее геометрическое этих кажущихся длин стержня:

. (6)

Последнее выражение по форме напоминает формулу лоренцева сокращения , но противоположна ей по содержанию. Выражение (6) устанавливает связь между измеряемой (ис­тинной) длиной и средним геометрическим измеренных (кажущихся) длин при приближении и удалении объекта (усредненной анизотропией), а формула Лоренца приписывает как так и статус истинных величин [3].

Итак, есть сама реальность, а есть искаженное изображение этой реальности, которое вызвано конечностью скорости передачи данного изображения. Для процесса познания реального мира необходимо учитывать эти искажения и вносить соответствующие поправки, а не принимать не откорректированные изображения за саму реальность только в некоторой иной инерционной системе координат, как это регламентируется в СТО.

Когда Анри Пуанкаре впервые сформулировал принцип о постоянстве скорости света в вакууме, её независимости от скорости движения источника света, он понимал всю абсурдность данного допущения, но не видел никакой возможности его опровержения с помощью эксперимента. Альберт Эйнштейн этот принцип стал выдавать за свой собственный и на его основе создал СТО. Прошло с тех пор уже сто лет, а экспериментального подтверждения справедливости постулатов СТО так и не получено. Эффект же Рёмера-Доплера свидетельствует об обратном – принцип Пуанкаре, присвоенный Эйнштейном, ложен, а СТО – не физика, а чистая математика да ещё с элементами философии субъективного идеализма.

Данная статья опубликована в книге: Наука и образование: проблемы и перспективы повышения качества образования. Материалы научно-практич. конференции 10 – 11 мая 2007 г. Часть 2. Естественные науки. Тара: изд-во ОмГТУ, 2007. С. 58 – 65.

Л и т е р а т у р а:

1. Секерин относительности – мистификация века. - Новосибирск: 1991, с. 10 – 12.

2. Савельев общей физики. Том 1. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. – М.: Наука, 1970, с. 287 – 289.

3. Денисов теории относительности. – Вильнюс: ЛитНИИ НТИ, 1989.

* Оле Рёмер (1644 – 1710) – датский астроном.