Teoria emisji

Ten artykuł dotyczy teorii względności emisji. Aby zapoznać się z emisyjną teorią widzenia, zobacz Teoria emisji (widzenie) .

Teoria emisji , zwana także teorią emitera lub balistyczną teorią światła , była teorią konkurencyjną dla szczególnej teorii względności , wyjaśniającą wyniki eksperymentu Michelsona-Morleya z 1887 r. Teorie emisji są zgodne z zasadą względności , ponieważ nie mają preferowanej ramy dla światła transmisji, ale powiedzmy, że światło jest emitowane z prędkością „c” względem źródła, zamiast stosować postulat niezmienniczości. Tak więc teoria emiterów łączy elektrodynamikę i mechanikę z prostą teorią Newtona. Chociaż nadal istnieją zwolennicy tej teorii poza głównym nurtem naukowym, większość naukowców uważa tę teorię za definitywnie zdyskredytowaną.

Historia

Główny artykuł: teoria balistyczna Ritza

Nazwisko najczęściej kojarzone z teorią emisji to Isaac Newton . W swojej teorii korpuskularnej Newton wizualizował lekkie „cząsteczki” wyrzucane z gorących ciał z nominalną prędkością c w stosunku do emitującego obiektu i zgodnie ze zwykłymi prawami mechaniki Newtona, a następnie spodziewamy się, że światło porusza się w naszym kierunku z prędkość, która jest równoważona przez prędkość odległego emitera ( c ± v ).

W XX wieku Albert Einstein stworzył szczególną teorię względności , aby rozwiązać pozorny konflikt między elektrodynamiką a zasadą względności . Geometryczna prostota teorii była przekonująca i większość naukowców zaakceptowała teorię względności już w 1911 roku. Jednak kilku naukowców odrzuciło drugi podstawowy postulat teorii względności: stałość prędkości światła we wszystkich układach inercjalnych . Zaproponowano więc różne rodzaje teorii emisji, w których prędkość światła zależy od prędkości źródła, a zamiast transformacji Lorentza stosuje się transformację Galileusza . Wszystkie one mogą wyjaśnić negatywny wynik eksperymentu Michelsona-Morleya , ponieważ prędkość światła jest stała względem interferometru we wszystkich układach odniesienia. Niektóre z tych teorii to:

• Światło zachowuje na całej swojej drodze składową prędkości, którą uzyskało od swojego pierwotnego poruszającego się źródła, a po odbiciu światło rozchodzi się w kulistym kształcie wokół środka, który porusza się z tą samą prędkością co pierwotne źródło. (Zaproponowany przez Waltera Ritza w 1908 r.). Model ten uznano za najbardziej kompletną teorię emisji. (W rzeczywistości Ritz modelował elektrodynamikę Maxwella-Lorentza. W późniejszym artykule Ritz powiedział, że cząstki emisyjne w jego teorii powinny oddziaływać z ładunkami na swojej drodze, a zatem fale (wytwarzane przez nie) nie zachowałyby swoich pierwotnych prędkości emisji w nieskończoność.)
• Wzbudzona część zwierciadła odbijającego działa jak nowe źródło światła, a światło odbite ma taką samą prędkość c względem zwierciadła, jak światło pierwotne względem źródła. (Zaproponowany przez Richarda Chase'a Tolmana w 1910 r., chociaż był on zwolennikiem szczególnej teorii względności).
• Światło odbite od lustra uzyskuje składową prędkości równą prędkości lustrzanego odbicia pierwotnego źródła (zaproponowane przez Oscara M. Stewarta w 1911 r.).
• Modyfikację teorii Ritza-Tolmana wprowadził JG Fox (1965). Argumentował, że twierdzenie o ekstynkcji (tj. regeneracji światła w przechodzącym ośrodku). W powietrzu odległość ekstynkcji wynosiłaby tylko 0,2 cm, czyli po przebyciu tej odległości prędkość światła byłaby stała względem ośrodka, a nie początkowego źródła światła. (Sam Fox był jednak zwolennikiem szczególnej teorii względności).

Albert Einstein pracował nad własną teorią emisji, zanim porzucił ją na rzecz swojej szczególnej teorii względności . Wiele lat później RS Shankland donosi, że Einstein powiedział, że teoria Ritza była miejscami „bardzo zła” i że on sam ostatecznie odrzucił teorię emisji, ponieważ nie mógł wymyślić żadnej formy równań różniczkowych, które by ją opisywały, ponieważ prowadzi ona do fal światło staje się „wszystko pomieszane”.

Obalenie teorii emisji

Następujący schemat został wprowadzony przez de Sittera w celu przetestowania teorii emisji:

${\ Displaystyle c'= c \ pm kv \,}$

gdzie c to prędkość światła, v prędkość źródła, c' wypadkowa prędkość światła, a k to stała określająca zakres zależności od źródła, która może osiągnąć wartości od 0 do 1. Zgodnie ze szczególną teorią względności i stacjonarnym eterem, k = 0, podczas gdy teorie emisji dopuszczają wartości do 1. Przeprowadzono wiele eksperymentów naziemnych na bardzo krótkich odległościach, w których nie mogło dojść do efektu „przeciągania światła” ani wygaszania, i ponownie wyniki potwierdzają, że prędkość światła jest niezależna od prędkość źródła, definitywnie wykluczając teorie emisji.

Źródła astronomiczne

Argument Willema de Sittera przeciwko teorii emisji. Zgodnie z prostą teorią emisji światło porusza się z prędkością c względem emitującego obiektu. Gdyby to była prawda, światło emitowane przez gwiazdę w układzie podwójnym z różnych części orbity poruszałoby się w naszym kierunku z różnymi prędkościami. Dla pewnych kombinacji prędkości, odległości i nachylenia orbity, „szybkie” światło emitowane podczas zbliżania się wyprzedziłoby „powolne” światło emitowane podczas recesyjnej części orbity gwiazdy. Można by zaobserwować wiele dziwacznych efektów, w tym (a) jak pokazano, niezwykle ukształtowane krzywe blasku gwiazd zmiennych, jakich nigdy nie widziano, (b) ekstremalne dopplerowskie przesunięcia ku czerwieni i błękitowi w fazie z krzywymi blasku, co sugeruje wysoce niekeplerowskie orbity i (c) rozszczepienie linii widmowych (należy zwrócić uwagę na jednoczesne nadejście światła przesuniętego ku czerwieni i ku czerwieni do celu).

W 1910 roku Daniel Frost Comstock iw 1913 roku Willem de Sitter napisali, że w przypadku układu podwójnego gwiazdy widzianego z boku można oczekiwać, że światło zbliżającej się gwiazdy będzie podróżować szybciej niż światło jego oddalającego się towarzysza i wyprzedzi go. Jeśli odległość była wystarczająco duża, aby „szybki” sygnał zbliżającej się gwiazdy dogonił i wyprzedził „wolne” światło, które emitowała ona wcześniej, gdy się oddalała, wówczas obraz układu gwiezdnego powinien wyglądać na całkowicie pomieszany. De Sitter argumentował , że żaden z badanych przez niego układów gwiezdnych nie wykazywał ekstremalnego efektu optycznego i uznano to za dzwonek śmierci dla teorii Ritza i ogólnie teorii emisji, przy czym ${\ displaystyle k <2 \ razy 10^{-3}}$ .

Wpływ wymierania na eksperyment de Sittera został szczegółowo przeanalizowany przez Foxa i prawdopodobnie podważa on wiarygodność dowodów typu de Sittera opartych na gwiazdach podwójnych. Jednak podobne obserwacje zostały wykonane ostatnio w widmie rentgenowskim przez Brechera (1977), które mają wystarczająco długą odległość ekstynkcji, aby nie miało to wpływu na wyniki. Obserwacje potwierdzają, że prędkość światła jest niezależna od prędkości źródła, gdzie ${\ Displaystyle k <2 \ razy 10 ^ {-9}$ }

Hans Thirring argumentował w 1924 r., że atom, który jest przyspieszany podczas procesu emisji przez zderzenia termiczne w Słońcu, emituje promienie świetlne o różnych prędkościach w punkcie początkowym i końcowym. Tak więc jeden koniec promienia światła wyprzedziłby poprzednie części, a w konsekwencji odległość między końcami wydłużyłaby się do 500 km, aż dotrą do Ziemi, tak że samo istnienie ostrych linii widmowych w promieniowaniu słonecznym obala model balistyczny .

Źródła naziemne

Takie eksperymenty obejmują eksperyment Sadeha (1963), który wykorzystał technikę czasu przelotu do pomiaru różnic prędkości fotonów poruszających się w przeciwnym kierunku, które powstały w wyniku anihilacji pozytonów. Kolejny eksperyment przeprowadzili Alväger i in. (1963), którzy porównali czas przelotu promieni gamma ze źródeł ruchomych i spoczynkowych. Zgodnie z teorią względności oba eksperymenty nie wykazały żadnej różnicy.

Filippas i Fox (1964) nie uważali, że Sadeh (1963) i Alväger (1963) wystarczająco kontrolowali skutki wymierania. Przeprowadzili więc eksperyment, używając konfiguracji zaprojektowanej specjalnie w celu wyjaśnienia wyginięcia. Dane zebrane z różnych odległości detektor-cel były zgodne z brakiem zależności prędkości światła od prędkości źródła i były niespójne z modelowanym zachowaniem przy założeniu c ± v zarówno z ekstynkcją, jak i bez.

⁰ Kontynuując swoje poprzednie badania, Alväger et al. (1964) zaobserwowali π - mezony , które rozpadają się na fotony z 99,9% prędkością światła. Eksperyment wykazał, że fotony nie osiągały prędkości swoich źródeł i nadal poruszały się z prędkością światła, przy czym ${\ Displaystyle k = (-3 \ pm 13) \ razy 10^{-5}}$ . Badanie ośrodków, przez które przechodziły fotony, wykazało, że przesunięcie ekstynkcji nie było wystarczające, aby znacząco zniekształcić wynik.

Przeprowadzono również pomiary prędkości neutrin . Jako źródła wykorzystano mezony poruszające się z prędkością bliską prędkości światła. Ponieważ neutrina biorą udział tylko w oddziaływaniach elektrosłabych , ekstynkcja nie odgrywa żadnej roli. Pomiary naziemne zapewniły górne granice ${\ Displaystyle k \ równoważnik 10 ^ {- 6}}$ .

Interferometria

Efekt Sagnaca pokazuje, że jedna wiązka na obracającej się platformie pokonuje mniejszą odległość niż druga wiązka, co powoduje przesunięcie we wzorze interferencji. Wykazano, że oryginalny eksperyment Georgesa Sagnaca podlega efektom wymierania, ale od tego czasu wykazano również, że efekt Sagnaca występuje w próżni, gdzie wyginięcie nie odgrywa żadnej roli.

Przewidywania wersji teorii emisji Ritza były zgodne z prawie wszystkimi ziemskimi testami interferometrycznymi, z wyjątkiem tych obejmujących propagację światła w poruszających się ośrodkach, a Ritz nie uważał trudności stwarzanych przez testy, takie jak eksperyment Fizeau, za nie do pokonania . Tolman zauważył jednak, że eksperyment Michelsona-Morleya z wykorzystaniem pozaziemskiego źródła światła może stanowić decydujący test hipotezy Ritza. W 1924 roku Rudolf Tomaschek przeprowadził zmodyfikowany eksperyment Michelsona-Morleya przy użyciu światła gwiazd, podczas gdy Dayton Miller użył światła słonecznego. Oba eksperymenty były niezgodne z hipotezą Ritza.

Babcock i Bergman (1964) umieścili obracające się szklane płytki między zwierciadłami interferometru ze wspólną ścieżką, ustawionego w statycznej konfiguracji Sagnaca . Jeśli szklane płytki zachowują się jak nowe źródła światła, tak że całkowita prędkość światła wychodzącego z ich powierzchni wynosi c + v , można by oczekiwać przesunięcia obrazu interferencyjnego. Jednak nie było takiego efektu, który ponownie potwierdza szczególną teorię względności i ponownie pokazuje niezależność prędkości światła od źródła. Ten eksperyment został przeprowadzony w próżni, więc efekty ekstynkcji nie powinny odgrywać żadnej roli.

Albert Abraham Michelson (1913) i Quirino Majorana (1918/9) przeprowadzili eksperymenty interferometryczne ze źródłami spoczynkowymi i ruchomymi lustrami (i odwrotnie) i wykazali, że prędkość światła w powietrzu nie jest zależna od źródła. Układ Michelsona został zaprojektowany w celu rozróżnienia trzech możliwych interakcji ruchomych luster ze światłem: (1) „cząsteczki światła odbijają się jako pociski od elastycznej ściany”, (2) „powierzchnia lustra działa jako nowe źródło”, (3) „prędkość światła jest niezależna od prędkości źródła”. Jego wyniki były zgodne z niezależnością źródła prędkości światła. Majorana przeanalizował światło z ruchomych źródeł i luster za pomocą interferometru Michelsona o nierównym ramieniu, który był niezwykle czuły na zmiany długości fali. Teoria emisji głosi, że przesunięcie Dopplera światła z poruszającego się źródła reprezentuje przesunięcie częstotliwości bez zmiany długości fali. Zamiast tego Majorana wykrył zmiany długości fali niezgodne z teorią emisji.

Beckmann i Mandics (1965) powtórzyli eksperymenty Michelsona (1913) i Majorany (1918) z ruchomym zwierciadłem w wysokiej próżni, stwierdzając, że k jest mniejsze niż 0,09. Chociaż zastosowana próżnia była niewystarczająca, aby ostatecznie wykluczyć wyginięcie jako przyczynę ich negatywnych wyników, wystarczyła, aby wyginięcie było wysoce nieprawdopodobne. Światło z ruchomego lustra przechodziło przez interferometr Lloyda , część wiązki przechodziła bezpośrednio do kliszy fotograficznej, a część odbijała się od lustra Lloyda. Eksperyment porównywał prędkość światła poruszającego się hipotetycznie z prędkością c + v z ruchomych luster z prędkością światła odbitego hipotetycznie poruszającego się z prędkością c z lustra Lloyda.

Inne obalenia

Teorie emisji wykorzystują transformację Galileusza, zgodnie z którą współrzędne czasowe są niezmienne przy zmianie ramek („czas bezwzględny”). Zatem eksperyment Ivesa-Stilwella , który potwierdza relatywistyczną dylatację czasu , również obala teorię emisji światła. Jak wykazał Howard Percy Robertson , pełną transformację Lorentza można wyprowadzić, rozważając eksperyment Ivesa-Stillwella razem z eksperymentem Michelsona-Morleya i eksperymentem Kennedy'ego-Thorndike'a .

Co więcej, elektrodynamika kwantowa umieszcza propagację światła w zupełnie innym, ale wciąż relatywistycznym kontekście, co jest całkowicie niezgodne z jakąkolwiek teorią postulującą, że prędkość światła zależy od prędkości źródła.

Zobacz też

• Historia szczególnej teorii względności
• Testy szczególnej teorii względności

• Isaac Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
• Isaac Newton, Optyka

Linki zewnętrzne

• de Sitter (1913) artykuły na temat gwiazd podwójnych jako dowód przeciwko teorii emisji Ritza.