Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
Ныне все эти вопросы взаимодействия волн и вещества, с точки зрения электронной теории Лоренца подробно рассматриваются в курсе молекулярной оптики [74, 136]. О такой трактовке дифракции рассказывает также любой учебник электродинамики [88]. И, всё же, в школьной и вузовской программе свет продолжают рассматривать как волну, движущуюся в среде, продолжают пользоваться некорректным принципом Гюйгенса. Вот почему в дальнейшем многие уже не в силах избавиться от мнимой потребности в неподвижной среде для распространения света, от представления об эфире. Как верно заметил Эйнштейн, Лоренц первым показал ограниченность и бесполезность эфира, а с ним и основанной на эфире электродинамики Максвелла. Опыты же Майкельсона и Троутона-Нобля окончательно рассеяли всякие иллюзии насчёт реальности этой эфемерной субстанции с противоречивыми свойствами.
Итак, теория Ритца, изображающая свет в виде потока частиц, прекрасно объясняет явления интерференции и дифракции и предлагает, по сути, первый в истории науки непротиворечивый способ описания волновых свойств света в рамках корпускулярного подхода. Впрочем, не исключено, что подобная корпускулярная модель света существовала ещё в древности, как показывает пример Лукреция или Да Винчи. На мысль о том, что наши предки считали свет волнообразным потоком частиц, способным огибать препятствия, дифрагировать на них, наводит уже само слово lux (свет), имеющее общую корневую основу с русским словом лук, луч, лучина, и с английским look (смотреть, § 1.9). Ведь наши предки уподобляли лучи света потоку стрел из лука, и в то же время слово "лук" у них означало "изогнутый", "волнистый" (отсюда словосочетания "излучина реки", "лука седла"), поскольку классический лук имел сложноизогнутую, волнистую форму. А потому, возможно, в этом стрелковом оружии отражены представления древних и о волновой структуре света, способного огибать преграды, позволяя источнику света в буквальном смысле "стрелять из-за угла".
§ 1.13 Взаимодействие света от движущегося источника со средой
Поэтому я буду допускать, что любая заряженная точка испускает в каждый момент времени по всем направлениям фиктивные частицы, бесконечно малые и запущенные при рождении с одинаковой радиальной скоростью c, которые сохраняют своё равномерное движение, независимо от того, какие им встречаются тела.
Вальтер Ритц, "Критический анализ общей электродинамики" [8]Первый постулат теории относительности о равноправии инерциальных систем, в том числе, для явлений оптики и электродинамики, — не вызывает сомнений. Однако второй постулат — о независимости скорости света от взаимного движения источника и наблюдателя — не только не доказан опытом, но и противоречит первому (отсюда все парадоксы СТО). Ведь равноправие всех систем вытекает именно из классического закона сложения скоростей. Как показал ещё Галилей, падение тел внутри стоящего и плывущего корабля потому идентично, что, в случае движения, падающим телам сообщается скорость корабля (Рис. 37). То же свойство обнаружилось у света: для него, как показали опыты Майкельсона и аберрация звёздного света, работало классическое правило сложения скоростей (принятое в БТР). Майкельсон, закончивший военно-морскую академию и сам много плававший, по сути, повторил опыт Галилея с кораблём, но использовал в качестве судна саму Землю, а в качестве брошенного тела — свет. Из этих опытов следовала относительность движения света и первый постулат СТО (на деле просто принцип относительности Галилея). Второй же постулат, напротив, абсолютизировал движение света, будто на его скорость c не влияло относительное движение источника и наблюдателя. Не зря Макс Планк называл теорию относительности "теорией абсолютности".
Рис. 37. Движение корабля (амфибии) передаётся падающему телу, которое, как внутри покоящейся системы, падает по вертикали. Та же скорость передаётся свету и снарядам (для берегового наблюдателя).
До сих пор, рассуждая о баллистическом принципе сложения скорости света со скоростью источника, мы говорили о движении света в вакууме. Если же электромагнитная волна летит в среде, то, как было отмечено выше, ситуация кардинально меняется: проходя через среду, будь то воздух или плотные тела, волна воздействует на электроны среды, приводя их в колебания, отчего те излучают вторичные волны, которые, слагаясь с исходной, рождают явления рефракции, дисперсии и дифракции. Поэтому, возникает уже избранная система отсчёта, связанная с материальной средой. Описание волн в такой среде во многом подобно описанию их с помощью эфира. Вот почему теория Максвелла, основанная на эфире, всё ещё используется, не обнаруживая расхождений с опытом. Однако, в космосе, в безвоздушном пространстве, — возникают отклонения от теории Максвелла. Судя по результатам радиолокации и астрономических наблюдений, исчезает преимущественная система отсчёта, связанная с атмосферой, и скорость света начинает зависеть от скорости источника (Часть 2).
В данном разделе нас будут интересовать именно опыты в земных лабораториях, где свет движется в среде. Так, в качестве противоречащего БТР иногда приводят известный опыт по влиянию движения источника на скорость света в среде, — опыт Физо [93, 153]. По его результатам, если источник движется навстречу среде со скоростью V, то в среде фазовая скорость света от этого источника уже не c/n, а c/n+V/n2. Паули считал это доказательством того, что скорость источника не складывается по классическому закону со скоростью света. Но, как было сказано, баллистический принцип здесь и не обязан работать, ибо скорость света в среде определяется не одним только источником, а ещё и атомами среды, вторичное излучение которых складывается с начальным, образуя новую волну. Вычислим её фазовую скорость [136, с. 425]. Если свет имеет скорость c+V, то поле единичной падающей волны опишется уравнением
E0=ei(ωt — k'x),
где ω — циклическая частота падающей волны, а k'= ω/(c+V) — её волновое число.
Эта волна возбуждает в среде вторичные волны интенсивности
E1= — ikxbei(ωt — kx) [136],
где k= ω/c — их волновое число, x — толщина пройденного слоя вещества, излучающего новую волну (Рис. 38), b — безразмерный коэффициент, характеризующий оптическую плотность среды (концентрацию атомов и эффективность переизлучения ими волны с частотой ω). Поле результирующей волны
E= E0+E1= ei(ωt — kx)(eix(k — k')—ikxb),
что с учётом разложения ex≈1+x при малых x и (k — k')≈ ωV/c2= kV/c даёт
E≈ei(ωt — kx)(1+ ikxV/c— ikxb)≈ ei(ωt — kx(1+b — V/c)).
Здесь kx(b — V/c) — это сдвиг фазы, растущий вместе с пройденным светом путём x и тем самым меняющий фазовую скорость света c*. По сути, в среде волновое число k= ω/c заменяется новым k*= ω/c*= k(1+b — V/c). Отсюда c*= ck/k*= c/(1+b — V/c). Если V=0, то получим обычную скорость света в среде c*= c/(1+b), где (1+b) — коэффициент преломления n. Если же скорость V отлична от нуля, получим: c*= c/(1+b — V/c)= c/(n — V/c)≈ c/n+V/n2. Таким образом, в среде движение источника меняет фазовую скорость света не на V, а только на V/n2. Относительно источника скорость света в среде c'= c*—V= c/n — V(1–1/n2). Коэффициент 1–1/n2 называют френелевским коэффициентом увлечения. Итак, если на базе молекулярной оптики учесть переизлучение света средой, то БТР легко объяснит опыт Физо и даёт верное выражение для коэффициента увлечения Френеля.
Рис. 38. Отказ принципа относительности в опытах Физо (слева) и Саньяка (справа).
Как видим, наличие среды нарушает равноправие систем отсчёта. Во-первых, свет в среде движется со скоростью, отличной от скорости света в этой среде c/n. А, во-вторых, не вся скорость источника передаётся свету. Но реально здесь нет никакого противоречия с галилеевым принципом относительности. Рассмотрим для пояснения известную иллюстрацию принципа относительности, предложенную самим Галилеем. В своём "Диалоге" он показал, что мы не сможем заметить равномерного движения корабля, находясь в его трюме. Предметы в трюме будут падать совершенно так же (отвесно вниз), как в неподвижном корабле. Происходит это оттого, что скорость v корабля сообщается падающим предметам. Но если и сам корабль и падающие в нём предметы движутся по горизонтали со скоростью v, то их относительное движение нельзя заметить. Но так будет только в трюме. Если мы выйдем на палубу корабля, то равноправие уже нарушается. За счёт движения корабля обдувающий его воздух порождает встречный ветер, который нарушает симметрию, увлекает предметы. Поэтому брошенные от носа к корме предметы, увлекаемые ветром, будут долетать быстрее и дальше, чем от кормы к носу. Подобно воздуху, увлекающему в опыте Галилея падающие предметы, среда передаёт частично скорость и свету. В опыте Майкельсона среда не нарушала принцип относительности и баллистический принцип лишь потому, что атмосфера двигалась вместе с Землёй и источником света, так же как воздух в трюме корабля двигался вместе с кораблём в опыте Галилея. Зато при взаимном движении источника и среды ситуация кардинально меняется: принцип относительности перестаёт соблюдаться.
