Общий принцип квантования скорости взаимодействия.
5.
4. Аберрация света.
В начале ХVIII века астрономами было установлено, что координаты звезд испытывают малое периодическое изменение: звезды описывают на небесном своде в течение земного года эллипс с одной и той же для всех звезд большой полуосью, видимой под углом 40".9. Степень вытянутости эллипса зависит от положения звезды относительно плоскости эклиптики. Для звезд, лежащих в направлении, перпендикулярном к плоскости эклиптики, эллипс имеет наименьший эксцентриситет, а для звезд, лежащих в плоскости эклиптики, эллипс вырождается в отрезок прямой.
Английский астроном Джеймс Брэдли в 1728 году объяснил это явление, названное аберрацией света, конечностью скорости распространения света и использовал его для определения этой скорости [37]. Анализ этого явления показывает, что из-за относительного движения источника света и наблюдателя, обусловленного орбитальным движением Земли, трубу телескопа приходится располагать так, чтобы оптическая ось составляла некоторый определенный угол с направлением на звезду.
В 1871 году Эйри показал, что аберрация наблюдается и в том случае, если трубу телескопа заполнить водой [37]. Численное значение угла направления на звезду оказалось равным углу для опытов, когда в трубе вакуум (или воздух).
В гипотезе эфира объяснение получается, если принять во внимание коэффициент увлечения Френеля.
С точки зрения баллистической теории происхождение этого эффекта понять нетрудно. Движение, которое представляется равномерным и прямолинейным в одной системе отсчета, должно быть таким же в другой системе, если движение последней поступательно относительно первой системы. Но направление скорости этого движения в двух системах различно. Отсюда следует, что поток частиц света от неподвижной звезды, падающий на Землю, представляется земному наблюдателю идущим в несколько ином направлении. Рассмотрим это отклонение в частном случае, когда свет падает перпендикулярно направлению движения Земли. Если Земля и источник света находятся в одной системе координат, то труба телескопа должна быть направлена точно на звезду. Но если Земля имеет некоторую скорость V, например, в направлении влево, то звезду невозможно увидеть в телескоп, так как фотоны, которые достигают объектива, будут падать на стенку трубы телескопа, а не в окуляр. Для того чтобы наблюдать звезду, телескоп необходимо повернуть, причем угол поворота определяется отношением скоростей V и С, и направление оси телескопа совпадает не с истинным направлением на звезду, а с направлением в точку неба, которая смещена в направлении скорости V. Время, за которое фотон проходит отрезок ОР, равное tо1 = ОР/С. За этот промежуток времени точка К телескопа сместится вдоль линии РК на расстояние РК = (tо1V). Отсюда угол, на который нужно повернуть ось телескопа, определится из соотношения (наблюдатель в системе отсчета звезды)
tg a
= PK/OP = (tо1 V)/(tо1 C) = V/С.
Используя ОПКСВ, можно показать, что движение фотона происходит по оси телескопа, независимо от среды (вакуум или вода), заполняющей трубу телескопа, как для наблюдателя в системе отсчета телескопа, так и для наблюдателя в системе отсчета звезды.
5. Эффект Допплера.
Это явление, открытое Допплером (1842 г.), имеет огромное значение как в акустике, так и в астрономических наблюдениях. По смещению спектральных линий в спектре небесных тел делают вывод о лучевой скорости этих тел по отношению к Земле. Факт существования двойных звезд обнаруживается по спектральному раздвоению линий, что происходит из-за разных лучевых скоростей обеих звезд. Наблюдение фраунгоферовых линий от разных краев солнечного диска позволяет установить движение поверхности Солнца.
Айвс в 1938 году обнаружил поперечный эффект Допплера, наблюдая свет, испускаемый каналовыми водородными лучами, имеющими скорость движения порядка 10 8 см/сек. Поперечный эффект значительно меньше продольного.
Первые опыты по обнаружению явления Допплера в оптике были выполнены А. А. Белопольским в 1900 году. Схема этих опытов следующая. Фотоны от источника света испытывают ряд последовательных отражений от зеркал и попадают в спектрограф. В зависимости от вращения барабанов зеркала двигались навстречу друг другу или удалялись друг от друга. С помощью этих опытов Белопольскому удалось обнаружить допплеровское смещение и показать, что знак смещения соответствует знаку скорости. В 1907 году этот опыт был повторен Б. Б. Голицыным.
С точки зрения ОПКСВ, все опыты, связанные с движением источника света или приемника, в том числе опыты Физо опыты Майкельсона, явление звездной аберрации, а также эффекты Зеелигера и Ольберса, имеют в своей основе эффект Допплера (от продольного до поперечного, т. е. для произвольного направления движения источника и приемника).
Весь спектр электромагнитного излучения обусловливается движением (колебаниями) зарядов (электронов и ионов), входящих в состав вещества. При этом движение ионов дает излучение низкой частоты (инфракрасное). Излучение, возникающее вследствие движения электронов, может включать кванты видимой и ультрафиолетовой частей спектра, если электроны входят в состав атомов или молекул и, следовательно, удерживаются около своего положения равновесия значительными силами. В металлах, где много свободных электронов, излучение соответствует иному типу движения. В этом случае нельзя говорить о колебаниях около положения равновесия: свободные электроны, приведенные в движение, испытывают нерегулярное торможение и излучение приобретает характер импульсов, т. е. характеризуется спектром различных длин волн, среди которых могут быть представлены также и волны низкой частоты.
Излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того чтобы обеспечить возможность длительного излучения энергии, необходимо пополнять убыль ее. Существует много способов пополнения энергии, в том числе способ возбуждения свечения электрическим воздействием на излучающую систему, а также сообщением ей необходимого количества энергии нагреванием, в результате которого можно получить равновесное состояние системы. Равновесное излучение всегда имеет характер теплового излучения, причем такое равновесное состояние характеризует любое тело: твердое, жидкое, газообразное. Это тепловое или равновесное излучение подчиняется некоторым общим закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики.
Большинство астрономических объектов, используемых в качестве источника света, состоит из газа, который рассматривается как идеальный. Стационарное распределение частиц по скоростям в условиях термодинамического равновесия, которое устанавливается в результате взаимных столкновений между частицами газа при их хаотическом тепловом движении, и отсутствия внешнего силового поля описывает закон распределения Максвелла (при наличии произвольного потенциального силового поля распределение части газа по координатам и скоростям описывается законом Максвелла-Больцмана)
mu2
m -( -- )
dnu= 4 p n ( ----- )3/2 e 2ъ? u2 du,
2p kT
где
m -
масса частицы; k -
постоянная Больцмана; T -
абсолютная температура, оK; u -
абсолютное значение скорости частицы, u = (ux2 + uy2 + uz2) 1/2 ; dn u -
число частиц (из общего их числа n), скорости которых заключены в пределах от u до (u + du).
Поскольку все направления движения молекул в пространстве равновероятны, распределение частиц по скоростям изотропно и имеет одинаковый вид по осям координат X, Y, Z. Абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения частиц газа. С увеличением температуры газа максимум кривой распределения смещается в сторону больших скоростей, а его абсолютная величина уменьшается; кроме этого, видно, что отсутствуют частицы со скоростью u = 0.
Итак, микрочастицы (электроны, атомы и молекулы) газа или газовой атмосферы звезды находятся в беспорядочном тепловом движении, векторы скоростей отдельных микрочастиц имеют всевозможные направления. В частности, по отношению к наблюдателю, который смотрит на газ со стороны, некоторая доля общего числа частиц должна приближаться к нему, часть -
удаляться от него, определенная доля частиц движется в плоскости, перпендикулярной к лучу зрения (рис. 2.3). Тогда, с точки зрения баллистической теории и ОПКСВ, скорости квантов света, испускаемых источником, лежат в промежутке (С - u, C + u), в котором отсутствуют кванты со скоростью равной С, поскольку u ¹
0 (где С -
электродинамическая постоянная).
Тепловое движение в жидкостях отличается от теплового движения в газах: движение молекул жидкости представляет собой колебания частиц около некоторого положения равновесия. Спектр излучения и поглощения жидкостей имеет характер сплошного спектра с весьма размытыми максимумами интенсивности в области основных частот.
Рис. 2.3. Распределение частиц по скоростям (распределение Максвелла) в направлении луча зрения.
Тепловое движение в твердых веществах рассматривается на основе движения атомов в кристаллической решетке. Расстояние между атомами в кристалле того же порядка (10 -
8 см ), что и расстояния между атомами в молекулах, так что взаимодействие между атомами так же велико. Поэтому единственно возможным видом движения связанных частиц в кристалле является колебательное движение около положения равновесия, причем амплитуда колебаний весьма мала по сравнению с расстоянием между атомами. Колебательное движение атомов в кристалле имеет коллективный характер, и в нем принимают участие все атомы кристалла одновременно.
Итак, вывод из всего изложенного выше: частицы (молекулы, ионы, атомы, электроны, ...) вещества, излучающего свет, и частицы вещества, поглощающего свет, имеют вполне определенные и конечные скорости движения (колебания) и вполне определенный характер распределения по скоростям движения (колебания).
