Emisní teorie - Emission theory - Wikipedia

Tento článek je o emisní teorii relativity. Pro emisní teorii vidění viz Emisní teorie (vize).

Emisní teorie, také zvaný emitorová teorie nebo balistická teorie světla, byla konkurenční teorie pro speciální teorie relativity, vysvětlující výsledky Michelson – Morleyův experiment z roku 1887. Emisní teorie se řídí princip relativity tím, že nemá preferovaný rámec pro světlo přenos, ale řekněte, že světlo je vyzařováno v rychlost "c" vzhledem k jeho zdroji namísto použití postulátu invariance. Teorie emitorů se tedy kombinuje elektrodynamika a mechanika s jednoduchou newtonovskou teorií. Ačkoli stále existují zastánci této teorie mimo vědecké hlavní proud, tato teorie je považována za přesvědčivě zdiskreditovanou většinou vědců.[1][2]

Dějiny

Hlavní článek: Ritzova balistická teorie

Název nejčastěji spojený s emisní teorií je Isaac Newton. V jeho korpuskulární teorie Newton vizualizoval světelné „krvinky“, které jsou odhozeny z horkých těles nominální rychlostí C s ohledem na emitující objekt a dodržování obvyklých zákonů newtonovské mechaniky, a pak očekáváme, že se světlo k nám bude pohybovat rychlostí, která je kompenzována rychlostí vzdáleného emitoru (C ± proti).

Ve 20. století speciální relativita vytvořil (a) Albert Einstein vyřešit zdánlivý konflikt mezi elektrodynamika a princip relativity. Geometrická jednoduchost teorie byla přesvědčivá a většina vědců přijala relativitu do roku 1911. Několik vědců však odmítlo druhý základní postulát relativity: stálost rychlost světla celkově setrvačné rámy. Byly navrženy různé typy emisních teorií, kde rychlost světla závisí na rychlosti zdroje a Galileova transformace se používá místo Lorentzova transformace. Všichni mohou vysvětlit negativní výsledek Michelson – Morleyův experiment, protože rychlost světla je konstantní vzhledem k interferometru ve všech referenčních soustavách. Některé z těchto teorií byly:[1][3]

  • Světlo si po celou cestu udržuje komponentu rychlosti, kterou získalo z původního pohybujícího se zdroje, a po odrazu se světlo šíří sférickou formou kolem středu, který se pohybuje stejnou rychlostí jako původní zdroj. (Navrhl Walter Ritz v roce 1908).[4] Tento model byl považován za nejucelenější emisní teorii. (Ritz ve skutečnosti modeloval elektrodynamiku Maxwella – Lorentze. V pozdějším článku [5] Ritz řekl, že emisní částice ve své teorii by měly trpět interakcemi s náboji podél své dráhy, a tak by si vlny (jimi produkované) neudržely své původní rychlosti emisí neomezeně dlouho.)
  • Vybuzená část odrážejícího zrcadla funguje jako nový zdroj světla a odražené světlo má stejnou rychlost C vzhledem k zrcadlu, jako má původní světlo vzhledem k jeho zdroji. (Navrhl Richard Chase Tolman v roce 1910, ačkoli byl zastáncem speciální relativity).[6]
  • Světlo odražené od zrcadla získává složku rychlosti rovnou rychlosti zrcadlového obrazu původního zdroje (Navržený Oscar M. Stewart v roce 1911).[7]
  • Modifikaci Ritz-Tolmanovy teorie představil J. G. Fox (1965). Tvrdil, že věta o zániku (tj. regenerace světla v procházejícím médiu). Ve vzduchu by extinkční vzdálenost byla pouze 0,2 cm, to znamená, že po překročení této vzdálenosti by byla rychlost světla konstantní vzhledem k médiu, nikoli k počátečnímu zdroji světla. (Fox sám byl však zastáncem speciální relativity.)[1]

Albert Einstein Předpokládá se, že pracoval na své vlastní emisní teorii, než ji opustil ve prospěch své speciální teorie relativity. O mnoho let později R.S. Shankland uvádí, že Einstein říká, že Ritzova teorie byla místy „velmi špatná“ a že sám nakonec zavrhl emisní teorii, protože nedokázal vymyslet žádnou formu diferenciálních rovnic, které ji popsaly, protože to vede k tomu, že se vlny světla stávají „všemi“ smíšené ".[8][9][10]

Vyvrácení teorie emisí

Následující schéma zavedl de Sitter[11] otestovat teorie emisí:

kde C je rychlost světla, proti zdroj, C' výsledná rychlost světla a k konstanta označující rozsah závislosti zdroje, která může dosáhnout hodnot mezi 0 a 1. Podle speciální relativity a stacionárního éteru k= 0, zatímco teorie emise umožňují hodnoty až 1. Na velmi krátkých vzdálenostech bylo provedeno mnoho pozemských experimentů, kde nemohly vstoupit do hry žádné efekty „tažení světla“ nebo vyhynutí, a výsledky opět potvrzují, že rychlost světla nezávisí na rychlost zdroje, což přesvědčivě vylučuje teorie emisí.

Astronomické zdroje

de Sitterův argument proti emisní teorii.
Animace de Sitterova argumentu.
Argument Willema de Sittera proti emisní teorii. Podle jednoduché teorie emisí se světlo pohybuje rychlostí C s ohledem na emitující objekt. Pokud by to byla pravda, světlo vyzařované z hvězdy ve dvojhvězdném systému z různých částí orbitální dráhy by k nám cestovalo různými rychlostmi. U určitých kombinací orbitální rychlosti, vzdálenosti a sklonu by „rychlé“ světlo vydávané během přiblížení předstihlo „pomalé“ světlo vyzařované během recesní části oběžné dráhy hvězdy. Bylo by vidět mnoho bizarních efektů, včetně (a), jak je znázorněno, neobvykle tvarovaných proměnných křivek světelných hvězd, jaké jsme nikdy neviděli, (b) extrémních Dopplerových červených a modrých posunů ve fázi se světelnými křivkami, z čehož vyplývá vysoce ne Keplerian oběžné dráhy a (c) rozdělení spektrálních čar (všimněte si současného příchodu modrého a červeně posunutého světla na cíl).[12]

V roce 1910 Daniel Frost Comstock a v roce 1913 Willem de Sitter napsal, že v případě dvojhvězdného systému, který je vidět z boku, lze očekávat, že světlo z blížící se hvězdy bude cestovat rychleji než světlo z jeho ustupujícího společníka a předběhne ho. Pokud byla vzdálenost dostatečně velká, aby „rychlý“ signál blížící se hvězdy dohnal a předběhl „pomalé“ světlo, které vydávalo dříve, když ustupovalo, měl by se obraz hvězdného systému jevit jako zcela zakódovaný. Argumentoval De Sitter že žádný z hvězdných systémů, které studoval, nevykazoval chování extrémních optických efektů, a to bylo považováno za umíráček pro Ritzianovu teorii a emisní teorii obecně, s .[11][13][14]

Účinek zánik na de Sitterově experimentu se podrobně zabýval Fox a pravděpodobně to podkopává nutnost důkazu de Sitterova typu založeného na binárních hvězdách. Podobná pozorování však nedávno provedla v rentgenovém spektru Brecher (1977), která má dostatečně dlouhou extinkční vzdálenost, která by neměla ovlivnit výsledky. Pozorování potvrzují, že rychlost světla je nezávislá na rychlosti zdroje s .[2]

Hans Thirring v roce 1926 tvrdil, že atom, který je během emisního procesu urychlován tepelnými srážkami na slunci, emituje světelné paprsky, které mají ve svých počátečních a koncových bodech různé rychlosti. Jeden konec světelného paprsku by tedy předběhl předchozí části a následně by se vzdálenost mezi konci prodloužila až na 500 km, dokud nedosáhnou Země, takže pouhá existence ostrého spektrální čáry ve slunečním záření vyvrací balistický model.[15]

Pozemní zdroje

Mezi takové experimenty patří experimenty Sadeha (1963), který k měření rozdílů rychlostí fotonů pohybujících se v opačném směru používal techniku ​​doby letu, které byly vytvořeny pozitronovým zničením.[16] Další experiment provedli Alväger et al. (1963), kteří porovnávali dobu letu gama paprsků z pohyblivých a klidových zdrojů.[17] Oba experimenty nezjistily žádný rozdíl, v souladu s relativitou.

Filippas a Fox (1964)[18] nepovažoval Sadeh (1963) a Alväger (1963) za dostatečně kontrolované pro účinky vyhynutí. Provedli tedy experiment pomocí nastavení speciálně navrženého tak, aby odpovídalo za vyhynutí. Data shromážděná z různých vzdáleností detektoru a cíle byla konzistentní s tím, že neexistovala závislost rychlosti světla na rychlosti zdroje, a byla nekonzistentní s modelovaným chováním za předpokladu c ± v s vyhynutím i bez něj.

Alväger et al. (1964) pozorovali π0-mezony které se rozpadají na fotony rychlostí 99,9% světla. Pokus ukázal, že fotony nedosahují rychlosti svých zdrojů a stále cestují rychlostí světla s . Vyšetřování médií, které prošly fotony, ukázalo, že posun vyhynutí nebyl dostatečný k výraznému zkreslení výsledku.[19]

Taky měření rychlosti neutrina byly provedeny. Jako zdroje byly použity mezony cestující téměř rychlostí světla. Vzhledem k tomu, že se neutrina účastní pouze elektroslabá interakce, vyhynutí nehraje žádnou roli. Pozemní měření poskytla horní hranici .

Interferometrie

The Efekt Sagnac ukazuje, že jeden paprsek na rotující plošině pokrývá menší vzdálenost než druhý paprsek, což vytváří posun interferenčního vzoru. Georges Sagnac Ukázalo se, že původní experiment utrpěl účinky vyhynutí, ale od té doby se také ukázalo, že účinek Sagnac nastává ve vakuu, kde vyhynutí nehraje žádnou roli.[20][21]

Předpovědi Ritzovy verze emisní teorie byly v souladu s téměř všemi pozemskými interferometrickými testy, kromě těch, které zahrnují šíření světla v pohybujících se médiích, a Ritz nezohlednil obtíže, které tyto testy představují Fizeau experiment být nepřekonatelný. Tolman však poznamenal, že Michelson-Morleyův experiment využívající mimozemský světelný zdroj by mohl poskytnout rozhodující test Ritzovy hypotézy. V roce 1924 provedl Rudolf Tomaschek modifikovaný Michelson – Morleyův experiment pomocí hvězdného světla, zatímco Dayton Miller použil sluneční světlo. Oba experimenty byly v rozporu s Ritzovou hypotézou.[22]

Babcock a Bergman (1964) umístili rotující skleněné desky mezi zrcadla a interferometr se společnou cestou nastaveno ve statické Konfigurace Sagnac. Pokud se skleněné desky chovají jako nové zdroje světla, takže celková rychlost světla vycházejícího z jejich povrchů je C + proti, lze očekávat posun vzorů interference. Neexistoval však žádný takový účinek, který by opět potvrzoval speciální relativitu a který znovu prokazuje zdrojovou nezávislost rychlosti světla. Tento experiment byl proveden ve vakuu, takže účinky vyhynutí by neměly hrát žádnou roli.[23]

Albert Abraham Michelson (1913) a Quirino Majorana (1918/9) provedl experimenty s interferometrem s odpočívajícími zdroji a pohybujícími se zrcadly (a naopak) a ukázal, že ve vzduchu neexistuje závislost na rychlosti světla. Michelsonovo uspořádání bylo navrženo tak, aby rozlišovalo mezi třemi možnými interakcemi pohybujících se zrcadel se světlem: (1) „světelné krvinky se odrážejí jako střely z pružné stěny“, (2) „zrcadlová plocha působí jako nový zdroj“, (3) msgstr "rychlost světla je nezávislá na rychlosti zdroje". Jeho výsledky byly v souladu s nezávislostí zdroje na rychlosti světla.[24] Majorana analyzovala světlo z pohybujících se zdrojů a zrcadel pomocí Michelsonova interferometru s nerovným ramenem, který byl extrémně citlivý na změny vlnové délky. Teorie emisí tvrdí, že Dopplerův posun světla z pohybujícího se zdroje představuje frekvenční posun bez posunu vlnové délky. Místo toho Majorana detekovala změny vlnových délek v rozporu s teorií emisí.[25][26]

Beckmann a Mandics (1965)[27] zopakoval experimenty s pohyblivým zrcadlem Michelson (1913) a Majorana (1918) ve vysokém vakuu, nález k být menší než 0,09. Ačkoli použité vakuum nebylo dostatečné k tomu, aby definitivně vyloučilo vyhynutí jako důvod jejich negativních výsledků, bylo dostačující k tomu, aby vyhynutí bylo vysoce nepravděpodobné. Světlo z pohybujícího se zrcadla prošlo a Lloydův interferometr část paprsku procházející přímou cestou k fotografickému filmu, část odrážející se od Lloydova zrcadla. Experiment porovnával rychlost světla hypoteticky cestujícího rychlostí c + v z pohybujících se zrcadel, versus odražené světlo hypoteticky cestující po C od Lloydova zrcadla.

Další vyvrácení

Teorie emisí používají Galileanovu transformaci, podle které jsou časové souřadnice při změně rámců neměnné („absolutní čas“). Tak Ives – Stilwellův experiment, což potvrzuje relativistické dilatace času, také vyvrací emisní teorii světla. Jak ukazuje Howard Percy Robertson lze odvodit úplnou Lorentzovu transformaci, když se uvažuje o experimentu Ives – Stillwell spolu s experimentem Michelson – Morley a Experiment Kennedy – Thorndike.[28]

Dále kvantová elektrodynamika umístí šíření světla do úplně jiného, ​​ale stále relativistického kontextu, který je zcela neslučitelný s jakoukoli teorií, která předpokládá rychlost světla ovlivněnou rychlostí zdroje.

Viz také

Reference

  1. ^ A b C Fox, J. G. (1965), „Evidence Against Emission Theories“, American Journal of Physics, 33 (1): 1–17, Bibcode:1965AmJPh..33 .... 1F, doi:10.1119/1.1971219.
  2. ^ A b Brecher, K. (1977), „Je rychlost světla nezávislá na rychlosti zdroje“, Dopisy o fyzické kontrole, 39 (17): 1051–1054, Bibcode:1977PhRvL..39.1051B, doi:10.1103 / PhysRevLett.39.1051.
  3. ^ Tolman, Richard Chace (1912), „Některé emisní teorie světla“ (PDF), Fyzický přehled, 35 (2): 136–143, Bibcode:1912PhRvI..35..136T, doi:10.1103 / physrevseriesi.35.136
  4. ^ Ritz, Walter (1908), „Recherches critiques sur l'Électrodynamique Générale“, Annales de Chimie et de Physique, 13: 145–275, Bibcode:1908AChPh..13..145R. Viz také anglický překlad Archivováno 2009-12-14 na Wayback Machine.
  5. ^ Ritz, Walther (1908), „Recherches Critiques sur les Theories Electrodynamiques de Cl. Maxwell et de H.-A. Lorentz“, Archives des Sciences physiques et naturelles, 36: 209
  6. ^ Tolman, Richard Chace (1910), „Druhý postulát relativity“, Fyzický přehled, 31 (1): 26–40, Bibcode:1910PhRvI..31 ... 26T, doi:10.1103 / physrevseriesi.31.26
  7. ^ Stewart, Oscar M. (1911), „Druhý postulát relativity a teorie elektromagnetické emise světla“, Fyzický přehled, 32 (4): 418–428, Bibcode:1911PhRvI..32..418S, doi:10.1103 / physrevseriesi.32.418
  8. ^ Shankland, R. S. (1963), "Konverzace s Albertem Einsteinem", American Journal of Physics, 31 (1): 47–57, Bibcode:1963AmJPh..31 ... 47S, doi:10.1119/1.1969236
  9. ^ Norton, John D., John D. (2004), „Einsteinovo vyšetřování galilejské kovovariantní elektrodynamiky před rokem 1905“, Archiv pro historii přesných věd, 59 (1): 45–105, Bibcode:2004AHES ... 59 ... 45N, doi:10.1007 / s00407-004-0085-6, S2CID  17459755
  10. ^ Martínez, Alberto A. (2004), „Ritz, Einstein a hypotéza emisí“, Fyzika v perspektivě, 6 (1): 4–28, Bibcode:2004PhP ..... 6 .... 4M, doi:10.1007 / s00016-003-0195-6, S2CID  123043585
  11. ^ A b De Sitter, Willem (1913), „O stálosti rychlosti světla“, Sborník Královské nizozemské akademie umění a věd, 16 (1): 395–396
  12. ^ Bergmann, Peter (1976). Úvod do teorie relativity. Dover Publications, Inc. str.19–20. ISBN  0-486-63282-2. V některých případech bychom měli pozorovat stejnou součást systému dvojhvězd současně na různých místech a tyto „hvězdy duchů“ by mizely a znovu se objevovaly v průběhu jejich periodických pohybů.
  13. ^ Comstock, Daniel Frost (1910), „Opomíjený typ relativity“, Fyzický přehled, 30 (2): 267, Bibcode:1910PhRvI..30..262., doi:10.1103 / PhysRevSeriesI.30.262
  14. ^ De Sitter, Willem (1913), „Důkaz stálosti rychlosti světla“, Sborník Královské nizozemské akademie umění a věd, 15 (2): 1297–1298, Bibcode:1913KNAB ... 15.1297D
  15. ^ Thirring, Hans (1924), „Über die empirische Grundlage des Prinzips der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit“, Zeitschrift für Physik, 31 (1): 133–138, Bibcode:1925ZPhy ... 31..133T, doi:10.1007 / BF02980567, S2CID  121928373.
  16. ^ Sadeh, D. (1963). "Experimentální důkazy o stálosti rychlosti paprsků gama, využití zničení za letu". Dopisy o fyzické kontrole. 10 (7): 271–273. Bibcode:1963PhRvL..10..271S. doi:10.1103 / PhysRevLett.10.271.
  17. ^ Alväger, T .; Nilsson, A .; Kjellman, J. (1963). „Přímý pozemský test druhého postulátu speciální relativity“. Příroda. 197 (4873): 1191. Bibcode:1963 Natur.197.1191A. doi:10.1038 / 1971191a0. S2CID  4190242.
  18. ^ Filippas, T. A.; Fox, J.G. (1964). "Rychlost paprsků gama z pohybujícího se zdroje". Fyzický přehled. 135 (4B): B1071-1075. Bibcode:1964PhRv..135.1071F. doi:10.1103 / PhysRev.135.B1071.
  19. ^ Alväger, T .; Farley, F. J. M .; Kjellman, J .; Wallin, L. (1964), „Test druhého postulátu speciální relativity v oblasti GeV“, Fyzikální dopisy, 12 (3): 260–262, Bibcode:1964PhL .... 12..260A, doi:10.1016/0031-9163(64)91095-9.
  20. ^ Sagnac, Georges (1913), „L'éther lumineux démontré par l'effet du vent relativ d'éther dans un interféromètre en rotation uniforme“ [Demonstrace světelného éteru interferometrem v rovnoměrné rotaci ], Comptes Rendus, 157: 708–710
  21. ^ Sagnac, Georges (1913), „Sur la preuve de la réalité de l'éther lumineux par l'expérience de l'interférographe tournant“ [Na důkaz reality luminiferního éteru experimentem s rotujícím interferometrem ], Comptes Rendus, 157: 1410–1413
  22. ^ Martínez, A.A. (2004). „Ritz, Einstein a hypotéza emisí“ (PDF). Fyzika v perspektivě. 6: 4–28. Bibcode:2004PhP ..... 6 .... 4M. doi:10.1007 / s00016-003-0195-6. S2CID  123043585. Archivovány od originál (PDF) dne 2. září 2012. Citováno 24. dubna 2012.
  23. ^ Babcock, G. C .; Bergman, T. G. (1964), „Stanovení stálosti rychlosti světla“, Journal of the Optical Society of America, 54 (2): 147–150, Bibcode:1964JOSA ... 54..147B, doi:10.1364 / JOSA.54.000147
  24. ^ Michelson, A.A. (1913). "Vliv odrazu od pohybujícího se zrcadla na rychlost světla". Astrofyzikální deník. 37: 190–193. Bibcode:1913ApJ .... 37..190M. doi:10.1086/141987.
  25. ^ Majorana, Q. (1918). „O druhém postulátu teorie relativity: Experimentální demonstrace stálosti rychlosti světla odraženého od pohybujícího se zrcadla“. Filozofický časopis. 35 (206): 163–174. doi:10.1080/14786440208635748.
  26. ^ Majorana, Q. (1919). „Experimentální ukázka stálosti rychlosti světla vyzařovaného pohybujícím se zdrojem“. Filozofický časopis. 37 (217): 145–150. doi:10.1080/14786440108635871.
  27. ^ Beckmann, P .; Mandics, P. (1965). "Test stálosti rychlosti elektromagnetického záření ve vysokém vakuu". Journal of Research of the National Bureau of Standards Section D. 69D (4): 623–628. doi:10,6028 / jres.069d.071.
  28. ^ Robertson, H. P. (1949). „Postulát versus pozorování ve speciální teorii relativity“. Recenze moderní fyziky. 21 (3): 378–382. Bibcode:1949RvMP ... 21..378R. doi:10.1103 / RevModPhys.21.378.

externí odkazy