Явления, обусловленные движением Земли относительно эфира.
Опыт Ремера, аберрация звезд и эффект Доплера
В статье рассматриваются известные явления, обусловленные орбитальным движением Земли: изменение времени начала-окончания затмений спутника Юпитера, аберрация звезд, изменение частоты излучения в зависимости от движения Земли относительно внешних источников. Обосновывается вывод о том, что полное увлечение эфира внутри атмосферы Земли при ненулевой ее вязкости и полное неувлечение эфира за пределами атмосферы в точности соответствует названным явлениям.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что при создании теории относительности Эйнштейн предполагал, что все попытки обнаружить движение Земли относительно мирового эфира оказались безуспешными. В действительности безуспешными оказались попытки обнаружить “эфирный ветер”, возникающий при движении Земли относительно мирового эфира вследствие полного увлечения эфира атмосферой Земли. В то время (1904 г.), когда Эйнштейн писал свою знаменитую работу «К электродинамике движущихся сред», были известны, по крайней мере, три явления, обусловленные орбитальным движением Земли:
изменение длительности затмений спутников Юпитера;
аберрация звезд;
изменение частоты излучения, обусловленное движением приемника, установленного на Земле, относительно какого–либо внешнего источника излучения – звезды или галактики.
Изменение длительности затмений спутников Юпитера
Суть явления, открытого О. Ремером в 1675 г., заключается в следующем. Наблюдая затмения спутников Юпитера «Ремер … обнаружил уменьшение (здесь и далее подчеркнуто мной – В.П.). промежутка между затмениями, когда Земля находилась в B, и, наоборот, запаздывание затмения, когда она находилась в A» [1].
Рис. 1. Затмение спутников Юпитера
Как следует из рисунка, приведенного Мандельштамом, находясь в B, Земля движется навстречу лучу света, идущему от спутника, поэтому время запаздывания оказывается равным t1 = L/(c + v), где L – расстояние от Земли до спутника, v – орбитальная скорость движения Земли. Находясь в A, Земля движется в направлении движения луча света, идущего от спутника, поэтому время запаздывания оказывается равным t2 = L/(c - v). Как установил Ремер, время t1 не равно времени t2, следовательно, величина c + v не равна величине c - v. Соответственно, изменение длительности затмений спутника Юпитера составит:
t = t2
– t1 = L/(c - v) - L/(c + v) = 2Lv/(c2
– v2)
Таким образом, наблюдения Ремера обнаруживают, что скорость света, измеряемая движущимся наблюдателем, складывается со скоростью движения наблюдателя в соответствии с обычными правилами сложения скоростей как векторов. Ремер использовал результаты своих наблюдений для определения скорости света, однако, величины t1 и t2 были измерены им не совсем точно, поэтому вычисленное им значение скорости света также определено не совсем точно. Однако никакое уточнение расстояния от Земли до спутника, как и интервалов времени t1 и t2, не может опровергнуть того факта, что t1 не равно t2, следовательно, и того факта, что c + v не равно c - v.
Результаты наблюдений, выполненных Ремером, позволяет заключить следующее:
движение Земли относительно Солнца сопровождается вполне наблюдаемыми явлениями – изменением времени начала и окончания затмений спутника Юпитера и, как следствие этого - изменением длительности затмения;
сумма (или разность) скорости света и скорости движения Земли вычисляется в соответствии с обычными, а не релятивистскими, правилами сложения скоростей как векторов;
величина эффекта зависит только от направления орбитальной скорости Земли относительно направления движения луча света, идущего от спутника, и совершенно не зависит от скорости движения самого спутника; следовательно, скорость света не зависит от скорости движения источника света.
Эффект Доплера
Предположим, что имеются приемник и источник света. Предположим, что приемник света движется c некоторой скоростью v относительно источника света, неподвижного относительно окружающего его эфира. Тогда движение приемника относительно источника света есть одновременно и движение относительно эфира, окружающего и источник, и приемник света.
Пусть источник света излучает свет с периодом, равным T. За время T, в течение которого импульс света пройдет путь cT, равный длине волны L света, излучаемого источником, приемник пройдет путь vT. Тогда длина волны света, принимаемого приемником, окажется равной L1 = L + vT или L2 = L - vT в зависимости от направления движения приемника света относительно источника (рис.2, рис.3).
Рис.2. Приемник движется в направлении к источнику
Рис.3. Приемник движется в направлении от источника
Таким образом, движение приемника света относительно источника, которое в данном случае одновременно является движением приемника относительно эфира, сопровождается изменением длины волны (или частоты) света, принимаемого приемником.
Предположим, далее, что приемник света покоится относительно окружающего его эфира, а источник света движется относительно приемника с некоторой скоростью v. Тогда движение источника света относительно приемника оказывается одновременно движением источника относительно эфира. Пусть, как и прежде, источник излучает свет с периодом, равным T. За время, в течение которого излученный источником импульс света пройдет путь cT, равный длине волны L излучаемого света, источник света сместится относительно его прежнего положения на некоторое расстояние vT. Очередной импульс света будет излучен источником из его нового положения. Тогда расстояние между предыдущим и последующим импульсами света (или длина волны света, принимаемого приемником) окажется равной L1 = L + vT (рис.4) или L2 = L – vT (рис.5) в зависимости от направления движения источника света относительно приемника.
Таким образом, и движение источника света относительно приемника, которое в данном случае одновременно является и движением источника относительно эфира, также сопровождается изменением длины волны (или частоты) света, излучаемого источником света.
Рис.4. Источник движется в направлении от приемника
Рис.5. Источник движется в направлении к приемнику
Изменение частоты света в зависимости от состояния движения источника или приемника известно в науке как эффект Доплера по имени ученого, впервые описавшего это явление. Очевидно, что когда приемник движется равномерно и прямолинейно, невозможно определить, обусловлено ли изменение частоты света, принимаемого приемником, движением приемника света или источника света, или же одновременным движением и источника, и приемника света. Однако если траектория движения приемника света представляет собой замкнутую кривую линию, оказывается возможным определить не только скорость движения приемника относительно окружающего его эфира, но и скорость источника света по лучу зрения. В самом деле, когда приемник движется навстречу лучу света, изменение частоты света пропорционально величине
v1 = vп + vи ,
(1}
где vп - скорость движения приемника света относительно эфира;
vи - скорость движения источника света относительно эфира.
Когда же приемник света движется в противоположном направлении, изменение частоты света пропорционально величине
v2 = vп - vи . (2)
Определив изменения частоты света, соответствующие значениям v1 и v2, из наблюдений и решая затем уравнения (1) и (2) как систему, можно определить и vп, и vи. Таким образом, вопреки предположению Эйнштейна, движение Земли относительно эфира сопровождается вполне наблюдаемыми явлениями, обусловленными именно движением Земли относительно эфира - изменением частоты света от внешних источников света, например, звезд.
Согласно
Эйнштейну, изменение частоты света обусловлено замедлением времени в системе координат, связанной
с источником, движущимся относительно приемника. Пусть T’ –
период колебаний излучения в системе
координат, связанной с источником
света. Тогда период колебаний света в системе координат, связанной с приемником света, будет равен T = T’/
, где v – скорость движения источника света
относительно приемника, откуда следует, что период колебаний света,
принимаемого приемником, будет всегда
больше периода света, излучаемого источником, независимо
от направления источника света относительно приемника. Известно, однако, что
это не так: при движении источника света в направлении от приемника наблюдается увеличение периода колебаний света,
принимаемого приемником, тогда как при движении источника света в направлении
приемника наблюдается уменьшение
периода колебаний света, принимаемого приемником. Таким образом, объяснение
эффекта Доплера как замедления времени в системе координат, связанной с
источником света, движущимся
относительно приемника, не соответствует действительности, тем более что
сама формула замедления времени выводится из преобразований Лоренца-Эйнштейна,
истинность которых поставлена под сомнение нашим анализом теории опыта
Майкельсона-Морли. Таким образом, эффект Доплера обусловлен именно движением
приемника и /или источника света относительно среды, в которой распространяется
свет.
Предположим теперь, что источник и приемник света покоятся внутри пустотелого шара, оболочка которого выполнена из прозрачного для света вещества. Пусть шар движется с некоторой скоростью v относительно окружающего его эфира. Так как оболочка шара непроницаема для внешнего по отношению к ней эфира, «эфирный ветер», обусловленный движением шара, внутри шара отсутствует. Таким образом, источник света, «светопроводящая среда» внутри шара и приемник света неподвижны друг относительно друга - скорость света внутри шара оказывается величиной постоянной независимо от состояния движения шара.
Предположим теперь, что источник света находится вне шара. Прежде всего, нас интересует вопрос, каким образом свет от этого источника проникает внутрь шара. Вот как отвечает на этот вопрос Р.Фейнман в [1]:
«Наблюдателю кажется, что свет или любая другая электрическая волна распространяется сквозь вещество... Но на самом деле поле создается движением... зарядов... Известно, что любой предмет состоит из атомов, содержащих электроны... поле внешнего источника действует на эти атомы и раскачивает электроны... Электроны, в свою очередь создают поле; их можно рассматривать как новые излучатели».
Таким образом, в результате многократного поглощения и переизлучения импульса света электронами атомов вещества оболочки шара свет в конечном итоге излучается электроном атома, расположенного на внутренней поверхности оболочки шара. Для наблюдателя (или приемника света) внутри шара именно этот электрон и является источником света. В этом случае, как мы знаем, скорость света оказывается величиной постоянной. Таким образом, независимо от того, находится ли источник внутри или вне шара, скорость света внутри шара оказывается величиной постоянной. По определению, пространство внутри шара является замкнутым, так как «эфирный ветер», обусловленный движением шара, внутри шара не возникает. Тогда имеются все основания утверждать, что скорость света в замкнутом пространстве является величиной постоянной независимо от того, покоится ли это пространство или же движется равномерно и прямолинейно. Следовательно, никакими опытами, основанными на измерении скорости света в замкнутом пространстве, невозможно определить, находится ли это пространство в состоянии покоя или же равномерного движения относительно эфира, окружающего это пространство. Так как атмосфера Земли при ненулевой ее вязкости непроницаема для внешнего по отношению к ней эфира, скорость света в атмосфере Земли оказывается величиной постоянной, независимо от того, находится источник на Земле или вне ее.
Аберрация звезд
Предположим, что луч света от некоторого внешнего источника света, например, какой-то звезды, падает на внешнюю поверхность шара перпендикулярно направлению его движения, как это изображено на рис.6.
Рис.6. Смещение видимого положения источника света
В конечном итоге, после ряда поглощений и переизлучений света электронами атомов вещества оболочки шара, этот луч света будет излучен электроном, находящимся в некоторой точке A на внутренней поверхности шара. Пусть наблюдатель (приемник света) находится в точке B внутри шара. За время t, в течение которого луч света пройдет путь AB, равный ct, точка B, в которой находится приемник света, сместится относительно своего прежнего положения на величину vt. Одновременно на такую же величину сместится и точка A. Таким образом, наблюдатель увидит источник света не в точке S, где он находится (или находился в момент излучения наблюдаемого луча света), а в точке S’. В этот момент и сам наблюдатель будет находиться не в точке B, а в точке B’, отстоящей от точки B на величину vt. Величину смещения видимого положения источника света относительно его истинного положения можно определить на основании следующих рассуждений. Наблюдатель, находящийся внутри шара, считает, что луч света движется по линии AB, тогда как в действительности луч света движется по линии AB’, иначе луч света просто не попадет в точку B’.
Рис.7. Отклонение луча света внутри движущейся системы
Тогда, построив треугольник скоростей для луча света, движущегося внутри шара (рис.7), получим:
tg
= v/c (3)
или
sin
= v/c, (4)
так как при малых
значениях угла значения tg
и sin
одинаковы.
Таким образом, при наблюдении внешнего источника света из замкнутого пространства, движущегося относительно внешнего по отношению к этому шару эфиру, видимое положение наблюдаемого источника света смещается на величину, определяемую соотношением (3) или (4). Смещение видимого положения источника света относительно его истинного положения обусловлено полным увлечением эфира внутри шара, движущегося относительно внешнего эфира, и полным неувлечением эфира вне шара.
Когда шар, или вообще какая-либо замкнутая система, движется равномерно и прямолинейно, определить истинное положение внешнего по отношению к этой системе источника света, тем самым - и скорость движения системы не представляется возможным. Однако, когда траектория движения системы представляет собой замкнутую кривую линию, появляется возможность определить истинное положение источника света, следовательно, и скорость движения системы.
В 1728 г. английский астроном Брэдли, измеряя параллакс одной из звезд, обнаружил наличие у нее смещения, названного им аберрацией. Брэдли установил, что в отличие от параллакса, величина которого зависит от расстояния до звезды и параметров орбиты Земли и является величиной различной для различных звезд, величина аберрационного смещения оказывается одинаковой для всех звезд. Брэдли предположил, что аберрация обусловлена двумя причинами: собственным движением Земли и движением света с некоторой конечной скоростью, так как в то время было не известно, распространяется ли свет с конечной или же бесконечной скоростью. Пусть, рассуждал Брэдли, свет движется по линии AB. Тогда, вследствие движения Земли, этот луч света отклонится на некоторый угол и попадет в точку C.
Рис.8. Явление аберрации согласно Брэдли
Из треугольника скоростей (рис.7), получим:
tg
= v/c.
Согласно современной точке зрения, аберрация состоит «... в том, что из-за конечной скорости света видимые положения всех звезд несколько смещены в сторону движения Земли. Представим себе (рис.9) Землю E, движущуюся в направлении A со скоростью v.
Рис.9. Явление аберрации (современное представление)
Если от звезды S... идет в сторону Земли световой луч SD, то эта звезда должна бы быть видна на небе в точке S1 , но из-за движения Земли световые кванты смещаются навстречу Земле и по отношению к ней распространяются по лучу SE, а поэтому звезда видна в точке S2 , сдвинутой от S1 на небольшой угол» [2].
На рис.4 линия, или луч света, соединяющая наблюдателя на Земле с видимым положением звезды на небе, проходит через точку пространства, в которой находится (или находилась) звезда в момент излучения ею луча света, наблюдаемого на Земле. В действительности, это не так.
«На рис.10 одинаковыми цифрами обозначены четыре положения Земли на орбите и соответствующие им видимые положения звезды S на небе, которые смещены в направлении скорости Земли; истинное положение S звезды на небе находится в центре аберрационной окружности. Впервые Брэдли обнаружил именно такую аберрацию звезды..., находящуюся вблизи полюса эклиптики» [2].
Рис.10. Лучи света не проходят через точку, где находится звезда
Таким образом, линия (или луч света), соединяющая видимое положение звезды с наблюдателем на Земле, не проходит через точку пространства, в которой находится звезда. Если смещение видимого положения звезды на небе обусловлено отклонением луча света, идущего от звезды, тогда нужно признать, что этот луч света движется весьма странным образом: вначале луч света от звезды движется, например, в точку 1’, а затем из этой точки - к Земле. Очевидно, что луч света так двигаться не может. Таким образом, суть аберрации заключается не в отклонении луча света на некоторый угол, величина которого одинакова для всех звезд, а в смещении видимого положения звезд относительно их истинного положения на одну и ту же линейную величину, определяемую отношением v к c.
Несколько иначе суть аберрации объясняет И.А.Климишин в [3]:
“Аберрация – это кажущееся смещение положения
светила на небесной сфере, возникающее
за счет движения наблюдателя... свет распространяется хотя и с очень большой,
но все же конечной скоростью c. Пусть v –
скорость наблюдателя. Тогда за время
движения луча света от объектива (подчеркнуто мной – В.П.) телескопа до окуляра
( - В.П.) (обозначим это время через t) наблюдатель смещается на расстояние vt
(рис.11). Пусть, далее,
- угловое расстояние
видимого направления на светило от точки неба, в которую в данный момент направлена скорость
наблюдателя“.
Рис.11. Аберрация:
наблюдатель, движущийся со скоростью v,
увидит светило не в направлении SP, а в
направлении
S’Q
Таким образом, согласно (3) аберрация обусловлена движением луча света в трубе телескопа – именно так считали Хук, Клинкерфус, Эйри и другие исследователи, считавшие, что заполнение трубы телескопа водой может изменить величину аберрации вследствие частичного, по Френелю, увлечения эфира. Получается так, что не будь телескопа, не было бы и аберрации. Очевидно, что ни объяснения Дагаева, ни объяснения Климишина не объясняют главного - почему именно движение Земли вызывает отклонение луча света? Популярно на этот вопрос пытается ответить У.Кауфман в (4):
“... представьте себе, что вы стоите под дождем, держа над головой раскрытый зонт. Представьте далее, что ветра, так что дождевые капли падают вертикально вниз. Если вы пойдете по улице, то вам, очевидно, придется наклонить зонт под некоторым углом в направлении движения, чтобы не намокнуть, причем угол наклона нужно будет увеличить, если увеличить шаг”.
По мнению Кауфмана, движение пешехода вызывает действительное отклонение дождевых капель от вертикали, вследствие чего и приходится наклонять зонтик в зависимости от скорости движения. В действительности, однако, движение пешехода с какой угодно скоростью не вызывает отклонения дождевых капель. Предположим, например, что имеется какая-то емкость с водой, из которой вода вытекает по капле. Предположим, что некоторый наблюдатель движется относительно бака с какой-то скоростью. С точки зрения этого наблюдателя, капли отклоняются навстречу его движения на какой-то угол. Тем не менее, капли будут падать в одну и ту же точку на полу независимо от того, движется ли кто-нибудь относительно бака с водой, или же нет. Точно так же, и движение Земли само по себе не может вызвать отклонения луча света от какой бы то ни было звезды, тем более, что из-за собственного движения звезд скорость движения Земли относительно каждой из них является различной, тогда как в формуле для определения величины аберрации v – это постоянная величина, равная орбитальной скорости Земли. Таким образом, величина аберрации зависит не от скорости движения Земли относительно той или иной звезды, а от скорости движения относительно только одной из звезд – Солнца.
Кажущееся
отклонение дождевых капель, наблюдаемое движущимся пешеходом, является
результатом сложения скорости падения капель со скоростью движения пешехода.
Тогда отклонение лучей света также должно быть результатом сложения скорости
света со скоростью движения Земли, однако, согласно СТО, результатом такого
сложения должна быть величина, равная скорости света c. Вот и приходится
придумывать такое объяснение аберрации, которое не соответствует
действительности, зато вполне соответствует СТО. В действительности, аберрация
– это не отклонение лучей света, идущих от какой-либо звезды, а смещение
видимого положения звезды относительно её же истинного положения, обусловленное
движением луча света в эфире, полностью увлекаемом атмосферой Земли при
ненулевой её вязкости.
Заключение
Анализ совокупности опытов и явлений, известных как «экспериментальные основания теории относительности», позволяет заключить следующее.
1. И в оптике, и в электродинамике движение эфира относительно наблюдателя, так же как и движение наблюдателя относительно эфира сопровождается вполне наблюдаемыми эффектами.
Также и движение Земли сопровождается рассмотренными выше явлениями, обусловленными движением Земли относительно эфира со скоростью, равной орбитальной скорости Земли. Таким образом, утверждение, что движение Земли относительно эфира не сопровождается никакими явлениями, не соответствует действительности.
2. Эфир не только окружает твердые тела, жидкости или газы, но и находится внутри них. Как показывают опыты Эйхенвальда, эфир внутри твердых тел полностью увлекается их движением, тогда как эфир вне твердых тел совершенно не увлекается их движением. Результаты этих опытов дают основание утверждать, что не только внутри твердых тел, но также и внутри жидкостей и газов при их ненулевой плотности полностью увлекается их движением. Таким образом, эфирный ветер, обусловленный движением Земли относительно эфира, окружающего атмосферу Земли при ненулевой её вязкости внутри атмосферы Земли не возникает, а поэтому и не может быть обнаружен никакими опытами. Вместе с тем, движение Земли вместе с её атмосферой относительно эфира, окружающего атмосферу Земли при ненулевой её вязкости, сопровождается описанными выше явлениями, обусловленными именно движением Земли. Таким образом, утверждение Эйнштейна, что никакие свойства явлений не соответствуют состоянию «абсолютного покоя», не соответствует действительности.
3. Предположение о полном увлечении эфира внутри атмосферы обеспечивает независимость скорости света в атмосфере Земли от скорости движения самой Земли. Вместе с тем, полное увлечение эфира внутри атмосферы Земли в точности соответствует наблюдаемой с Земли картине аберрации звезд.
4. Отсутствие движения эфира внутри твердых тел, жидкостей и газов при ненулевой их вязкости позволяет ввести понятие замкнутой системы как такой, внутри которой при ее движении не возникает движения среды, заполняющей эту систему, неважно, является эта среда жидкостью, газом или эфиром. В такой системе явления механики, оптические и электродинамические явления одинаковы, покоится эта система или же движется равномерно и прямолинейно без вращения.
Все, или, во всяком случае, большинство физиков понимают, что принцип относительности может быть верен только для таких координатных систем, которые можно определить как замкнутые. «Именно такое предположение и было сделано Эйнштейном в 1905 году, оно служит основным постулатом специальной теории относительности... никакими физическими опытами, производимыми в замкнутой (выделено мной - В.П.) лаборатории, невозможно обнаружить движение относительно эфира». (М.Е.Герценштейн. Эфир, вакуум, пустота... Журнал "Химия и жизнь", N1, 1983). Однако они не понимают, что в созданной Эйнштейном специальной теории относительности понятие «замкнутое пространство» или «замкнутая система» вообще отсутствует: поскольку нет эфира, нет и не может быть замкнутого по отношению к эфиру пространства или системы, нет и не может быть движения относительно эфира. В действительности эфир есть и движение относительно эфира, в том числе и движение Земли, сопровождается вполне наблюдаемыми явлениями, однако никакими опытами, проводимыми в замкнутой лаборатории, невозможно определить состояние ее движения относительно эфира, окружающего эту лабораторию, именно потому, что лаборатория является замкнутой системой. Внутри такой системы «эфирный ветер», обусловленный ее движением, не возникает именно по причине ее замкнутости, т.е. непроницаемости для внешнего по отношению к ней эфира. Считать систему замкнутой и вместе с тем предполагать возможность возникновения в ней «эфирного ветра», и пытаться его обнаружить каким-либо образом означает не понимать сути как принципа относительности, так и понятия «замкнутая система». В этом и заключается главная, на наш взгляд, ошибка Эйнштейна - в отрицании эфира как некоторой среды, заполняющей мировое пространство и содержащейся во всех телах, а также в непонимании того, что по отношению к эфиру могут существовать замкнутые системы, т.е. такие системы, при движении которых в них не возникает «эфирный ветер» именно по причине их замкнутости, непроницаемости для внешнего эфира.
5. В замкнутой координатной системе движения по отношению друг к другу тел, заключенных в этой системе, оптические и электродинамические явления одинаковы, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно без вращения.
Скорость света в замкнутой системе координат является величиной постоянной, независимо от того, находится источник света внутри или вне системы. Это утверждение следует непосредственно из предыдущего, так как оптические явления в замкнутой системе не зависят от состояния ее движения. Вместе с тем, независимость скорости света от состояния движения источника света означает, что световые импульсы возникают в среде, окружающей источник света, движение которой (среды) не зависит от движения источника, так как внешний по отношению к движущимся телам эфир совершенно не увлекается движением этих тел.
Между параметрами x, y, z и t одной системы координат и параметрами x', y', z' и t' другой системы координат, движущейся вдоль оси OX относительно первой с некоторой скоростью v, имеют место известные Галилеевские соотношения:
x' = x – vt
y' = y
z' = z
t' = t
Движение относительно эфира не есть абсолютное движение. Абсолютное движение по самой своей физической сущности есть движение безотносительно к чему бы то ни было, или же движение относительно абсолютно пустого пространства. Поскольку устранить эфир невозможно, обнаружить абсолютное движение также оказывается невозможным, поэтому вопрос о возможности обнаружения абсолютного движения, или движения относительно абсолютно пустого пространства не имеет смысла. Речь может идти о возможности или невозможности обнаружения движения именно относительно эфира.
Этими основными положениями и исчерпывается вся сущность теории относительности.
Литература
1. Р.Фейнман. Фейнмановские лекции по физике. Москва, “Мир”, 1976.
2. М.М.Дагаев и др. Астрономия. Москва, “Просвещение”, 1983.
3. И.А.Климишин. Астрономия наших дней. Москва, “Наука”, 1980.
4. У.Кауфман. Космические рубежи теории относительности. Издательство “Мир”, Москва, 1981.
