Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
Таким образом, решающий эксперимент достаточной степени чистоты может быть проведён только в космосе в условиях высокого вакуума и в отсутствие поблизости каких-либо сред и предметов, неизбежно вносящих, по открытому Фоксом принципу переизлучения, — искажения, совершенно нейтрализующие влияние скорости источника. И такие эффекты в космосе, как показывает Часть 2, реально обнаружены, хотя и там, на гигантских космических дистанциях, нередко ощутимо влияние даже крайне разреженной среды, тормозящей световые лучи. Впрочем, при тщательной постановке, решающий опыт может быть проведён и на Земле, если будут аккуратно учтены все эффекты БТР, и, в первую очередь, эффект Фокса переизлучения света.
Но вернёмся к анализу движения света в плотной среде. На первый взгляд, кажется, что возникает противоречие между принципом Фокса и рассмотренным выше опытом Физо. Ведь, согласно Фоксу, информация о скорости источника постепенно теряется и свет, по мере движения в среде, приобретает относительно среды скорость c/n. С другой стороны, согласно опыту Физо, — всё наоборот и скорость света от источника, приближающегося со скоростью V, равна относительно среды c*=c/n+V/n2, независимо от того, какое расстояние прошёл свет. Как согласовать эти два утверждения?
Всё очень просто. Фокс рассуждает исключительно о групповой скорости света, — о том, с какой скоростью переносится информация, воздействие света. Именно эта скорость движения огибающей световой волны и определяет запаздывание сигнала. А в интерферометрическом опыте Физо измеряется, по сути, фазовая скорость света, — скорость движения фазы высокочастотного заполнения импульса световой волны. Фазовая же скорость, как известно, может сильно отличаться от групповой, — как в меньшую, так и в большую сторону. В том числе, фазовая скорость может даже превышать скорость света в вакууме, например, — в волноводах, в плазме. Поэтому, надо очень чётко различать, какая именно скорость измеряется в опытах — групповая или фазовая? Так, в случае опыта Физо, мы делали расчёт именно для фазовой скорости, поскольку схема измерения была интерферометрической.
Это различие надо делать не только для света, движущегося в среде, но и для отражённого зеркалом. Групповая скорость света, после отражения от зеркала в вакууме, становится равной c относительно зеркала, независимо от того, какую скорость имел источник света. Ведь электроны металлического покрытия зеркала, колеблясь под действием падающей волны и переизлучая её энергию, испускают реоны уже со скоростью c относительно зеркала. Для фазовой скорости — всё сложнее. Как показал Ритц, фазовая скорость, после отражения, остаётся равной скорости света c относительно источника, независимо от того, сближался ли источник с зеркалом или отдалялся [93]. Ведь по БТР свет — это волна, переносимая реонами, и отражаются не сами реоны, а волна (атомы зеркала могли бы разве что рассеять частицы, зато волну они переизлучат направленно). Ритц показал, что волна, имеющая при нормальном падении на зеркало скорость (c+v), отражается со скоростью (c — v), и наоборот. Иными словами, при отражении фазовая скорость световой волны сохраняется не относительно зеркала, а относительно источника. В его системе отсчёта испущенный и отражённый свет всегда имеет скорость c. Это и есть основа БТР [93, с. 21], существенно отличающая её от других, более поздних и спорных вариантов баллистической теории, где свет переносят фотоны, а скорости испущенного и отражённого лучей различны в системе источника (Рис. 39). Ведь фотонные баллистические теории, исходя из ньютоновской теории света, представляют отражение света, фотонов — подобно упругому отскоку мячика от зеркальной поверхности, с сохранением относительно неё величины скорости.
Рис. 39. Фазовые скорости излучённого и отражённого света при относительном движении источника и зеркала (а — в системе зеркала, б — в системе источника).
Именно поэтому, в интерферометрических опытах с движущимися зеркалами, где измеряется фазовая скорость света, надо учитывать этот найденный Ритцем баллистический закон. И, действительно, интерферометрические опыты показывают именно такую зависимость [93]. А из-за того, что понятия фазовой и групповой скоростей смешивают, возникают различные недоразумения, ведущие к тому, что из опытов делают вывод об ошибочности БТР. Подробнее о роли фазовой и групповой скорости и их различии можно прочесть в книгах [152]. Правда, порой утверждают, что в вакууме, — среде без дисперсии, — эти скорости всё равно совпадут. Однако БТР предсказывает возможность дисперсии даже в вакууме, как подтвердили и космические наблюдения (§ 2.8). А потому в вакууме эти скорости могут не совпадать и по величине, и, даже, — по направлению (как в случае звёздной аберрации).
Причину различия фазовой и групповой скорости можно разобрать на следующем примере. При отражении света зеркалом, как говорилось, групповая скорость света должна равняться c относительно зеркала, поскольку именно с такой скоростью реоны выстреливаются электронами зеркала. Зато фазовая скорость света после отражения может стать и больше c. Понятно, что сигнал со скоростью c+V переноситься не может — он бы опередил реоны, которые и несут свет. Зато фаза, фронты волн внутри импульса вполне могут перемещаться с такой скоростью. Ведь волновое распределение реонов возникает в результате сложения многих световых волн, испущенных разными электронами зеркала. И пучности этого распределения вполне могут двигаться со скоростью большей скорости самих реонов. Точно так же, муаровый узор, возникающий при сложении двух расчёсок, может двигаться со скоростью, большей скорости расчёсок. Здесь скорость движения расчёсок — это групповая скорость, — скорость реонов. А скорость движения муарового узора, — тёмных полос, напоминающих интерференционные, — это фазовая скорость. Впрочем, надо отметить, что и групповая скорость часто не равна скорости реонов, поскольку распространение сигнала тоже возникает в ходе интерференции волн. Поэтому, проще всегда находить сначала фазовую скорость, а по ней, на основе известных соотношений, — групповую скорость. В любом случае, смешивать понятия фазовой и групповой скорости — недопустимо.
Легко понять, почему при взаимодействии с зеркалом фазовая скорость света от движущегося источника меняется по закону Ритца. Если зеркало покоится, а источник движется к нему со скоростью v, то, по БТР, он испускает свет со скоростью c+v (Рис. 39.а). Если собственная частота излучения источника f, а длина волны света λ=c/f, то, за счёт эффекта Доплера, зеркало воспринимает световые колебания с частотой
f'=f(1+v/c)
и с той же частотой их переизлучает. В то же время, длина волны от движущегося источника сохраняется неизменной: λ'=λ. При переизлучении этот пространственный масштаб тоже сохраняется, поскольку световые фронты не могут мгновенно сблизиться или разойтись. Отсюда легко найти фазовую скорость отражённого света
c'=λ'f'=c/(1+v/c)≈c — v,
то есть закон отражения Ритца. (Строго этот вывод можно получить на основе молекулярной оптики, анализируя интерференцию волн, переизлучённых колеблющимися электронами зеркала, расположенными на разной глубине, как делали для опыта Физо, Рис. 38). Если учесть второй порядок малости, то
c'=c/(1+v/c)≈c — v+v2/c.
Эта квадратичная поправка v2/c становится существенной в опытах Томашека (§ 2.9), где ею пренебрегли, приняв приближённый закон Ритца c'=c — v, отчего и получили расхождение с БТР. Если же эту поправку учесть, то окажется, что в системе источника (Рис. 39.б) свет после отражения имеет скорость не точно c'=c, а
c'=c(1+v2/c2),
и никакого расхождения БТР с опытом Томашека уже не наблюдается.
Закон отражения Ритца важен и при объяснении интерференционных опытов в крутящихся системах, где тоже сталкиваемся с нарушением галилеевского принципа относительности, сформулированного для инерциальных систем, а вращение порождает центростремительное ускорение, нарушающее закон инерции. И, если с помощью механических опытов, используя маятник Фуко или гироскоп (§ 5.7), можно обнаружить вращение Земли, то и баллистическая теория, основанная на принципе Галилея для света, позволяет внутри замкнутой системы, без внешних привязок, выявить её вращение посредством оптических опытов. К числу их относят опыт Саньяка, где интерферируют два световых луча, пущенные по замкнутому пути, один — в направлении вращения системы, а другой — против него (Рис. 38). Интерференционная картина меняется при раскрутке системы, что позволяет найти скорость и направление этого вращения.
