Эффект Доплера в электромагнитных явлениях

Эффект Доплера в электромагнитных явлениях

1. Общие сведения об эффекте

Эффект Доплера в электромагнитных явлениях часто привлекается для доказательства расширения Вселенной. Наличие модели фотона и законов его движения позволяет нам проверить правильность интерпретации инфракрасного и ультрафиолетового смещений спектральных линий, формируемых излучением звезд Вселенной.

Известно, что объяснение смещения спектральных линий в современной физике базируется на эффекте Доплера, который явно проявляется и легко регистрируется при распространении звуковых волн.

Новая теория микромира доказывает существование не электромагнитных, а фотонных волн, поэтому мы сразу убираем понятие электромагнитное излучение, как не отражающее реальность, и заменяем его понятием фотонное излучение. Фотонная волна формируется совокупностью фотонов, которую можно назвать импульсом фотонов. Расстояние между импульсами модулированной волны равно длине фотонной волны.

Нетрудно видеть, что эффект Доплера при распространении фотонной волны аналогичен эффекту Доплера при распространении звуковой волны. Изменение частоты фотонной волны зависит от скоростей и направлений движения, как источника, так и приемника такого излучения. Например, если направления движения источника фотонной волны совпадают с направлением её излучения, то её длина волны уменьшается, а частота увеличивается. Она уменьшается и у фотонной волны, отражённой в направление движения отражателя.

Каждый же фотон (фотоны - шарики в фотонной волне), формирующий такую волну, ведет себя иначе. Чтобы яснее понять эти различия, введем понятия: волновой эффект Доплера и фотонный эффект Доплера. Первый возникает при движении волн фотонов, а второй - единичных фотонов. Смещение спектральных линий атомов - следствие фотонного эффекта Доплера, а не волнового. Но это до сих пор не учитывалось при анализе эффекта Доплера. Существует две интерпретации этого смещения: классическая и релятивистская.

2. Релятивистская интерпретация фотонного эффекта Доплера

Релятивистская интерпретация и электромагнитного, и фотонного излучений базируется на втором постулате А. Эйнштейна: «Каждый луч света движется в покоящейся системе координат с определенной скоростью независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом». Из этой формулировки постулата следуют преобразования Лоренца. Получаем:

;

или

,

где и - частоты фотонного излучения в подвижной и неподвижной системах отсчета соответственно.

Обозначая , имеем

.

Это и есть релятивистская математическая модель для расчета фотонного эффекта Доплера. Поскольку , то из соотношения следует, что частота излучённого фотона движущимся источником больше частоты фотона, излученного покоящимся источником, то есть математические модели описывают только ультрафиолетовое смещение спектров атомов.

Если соотношение записать так

,

то оно будет показывать во сколько раз частота фотона, излученного с покоящегося источника, будет меньше частоты фотона, излученного движущимся источником, и не будет характеризовать инфракрасное смещение спектров.

Зададимся несколькими значениями и определим для них величины и (табл. 1). Этот результат (табл. 2) показывает однозначно, что с увеличением скорости движения подвижной системы отсчета (звезды, например) частота излучаемого фотона, растет, а это значит, что увеличивается ультрафиолетовое смещение спектральных линий.

Таблица 1. Релятивистский результат расчета фотонного эффекта Доплера

Таким образом, мы получили однозначный ответ: релятивистские математические модели (470) и (471) описывают только ультрафиолетовое смещение спектров атомов и поэтому не имеют никакого отношения к их инфракрасному смещению.

3. Классическая интерпретация фотонного эффекта Доплера

Из анализа кинематики движения модели фотона следует, что увеличение его скорости от любого начального значения до величины всегда происходит с ускорением, которое генерируется процессом взаимодействия между его магнитными полями. Поэтому нам необходимо получить математические модели, описывающие в первом приближении процесс старта фотона с покоящегося и движущегося источника, в результате которого смещаются спектры атомов.

Анализ процесса рождения фотона, проведенный нами, показал, что это - переходный процесс, в течение которого фотон движется с ускорением. Из этого следует, что длительность переходного процесса зависит от направления движения источника излучения и рождающегося фотона. Чем дольше будет длиться процесс рождения фотона, который мы называем переходным процессом, тем больше фотон отдаст своей массы (энергии) электрону и длина волны такого фотона сместиться в инфракрасную область. Поэтому надо найти ответ на фундаментальный вопрос: влияет ли скорость источника излучения относительно пространства на длительность переходного процесса, то есть процесса рождения фотона? Если влияет, то длительность переходного процесса должна зависеть от направления старта фотона по отношению к направлению движения источника излучения.

Поскольку переходный процесс проходит фактически в электромагнитном поле электрона источника излучения, то есть основания полагать, что в течение этого переходного процесса масса, а значит энергия и длина волны фотона, могут изменяться.

Это дает нам основание уточнить формулировку второго постулата А. Эйнштейна и сформулировать его следующим образом: скорость фотонов, излученных покоящимся или движущимся источником, постоянна относительно пространства и не зависит от направления движения источника и его скорости.

Таким образом, скорость фотонов постоянна относительно пространства. Рождение фотона - переходный процесс, в течение которого он, двигаясь с ускорением , достигает скорости относительно пространства и движется дальше с этой скоростью. Из изложенного следует, что длительность процесса рождения фотона зависит от направления его скорости и скорости источника.

Если источник покоится () относительно пространства, то процесс рождения фотона запишется так

,

имеем

.

Анализ процесса рождения фотона показал, что этот процесс протекает в интервале длины волны, поэтому, когда источник покоится (), то частота излученного фотона будет равна

Когда направления движения источника и рождающегося фотона совпадают, то

.

Подставляя ускорение, найдем

.

Из математической модели вытекает важное следствие: если направления движения источника излучения и рождающегося фотона совпадают, то с увеличением скорости движения источника время переходного процесса уменьшается.

Переходя к частотам излученного фотона, имеем

.

Поскольку , то

.

Рис. 1. Схема сложения скоростей источника и фотона : Е - наблюдатель, S - источник

Математическая модель показывает увеличение частоты фотона в случае, когда его скорость и скорость источника совпадают (рис. 1, b). Таким образом, при совпадении направлений скоростей источника и рождающегося фотона наблюдается ультрафиолетовое смещение спектров.

Если направления движущегося источника и рождающегося фотона противоположны (рис. 1, с), то частота излученного фотона уменьшается и должно наблюдаться инфракрасное смещение спектров.

.

С учетом соотношения имеем

.

Из этого следует, что если направления движения источника и рождающегося фотона противоположны, то с увеличением скорости движения источника время переходного процесса увеличивается. Переходя к частотам, имеем

.

Из формулы следует, что если направления движения источника и рождающегося фотона противоположны (рис. 1, с), то частота излучаемого фотона уменьшается и должно наблюдаться инфракрасное смещение спектров.

Самый главный вывод из анализа классических математических моделей - независимость смещения спектров атомов от направления и скорости движения приёмника.

Учитывая, что , найдём

.

А теперь сведем результаты расчетов в таблицу 2.

Таблица 2. Результаты расчета классической интерпретации эффекта Доплера

Анализ табл. 2 показывает, что классическая математическая модель описывает ультрафиолетовое смещение спектров (), а классическая математическая модель - инфракрасное ().

Теперь у нас появилась возможность объяснить фотонный эффект Доплера, регистрируемый при излучении фотонов, разной длительностью переходного процесса рождения фотона.

Процесс отделения фотона от электрона атома не мгновенный. В течение некоторой длительности между ними сохраняется связь. От длительности сохранения этой связи и зависит масса, а значит энергия и длина волны фотона, с которой он излучается, отделившись от электрона. Из соотношения видно, что если , то . Это значит, что старт фотона по направлению движения источника, движущегося относительно пространства со скоростью , невозможен (рис. 1, b). В этом случае фотон не будет излучён электроном.

Когда направление движения излучаемого фотона совпадает с направлением движения источника (рис. 1, b), то длительность переходного процесса уменьшается по сравнению с длительностью переходного процесса при старте с покоящегося источника. Длина волны и частота такого фотона смещаются в ультрафиолетовую область спектра.

Когда фотон стартует по направлению, противоположному движению источника (см. рис. 1, с), то длительность переходного процесса, как это видно из соотношения увеличивается и у нас есть основание полагать, что фотон в этом случае, в процессе потери связи с электроном, передаст ему больше своей электромагнитной массы и придет к приемнику с длиной волны и частотой, смещенными в инфракрасную область.

Аналогичное явление происходит при запуске космических ракет. Если ракета стартует на Восток, то ее скорость совпадает с направлением вращения Земли и ей потребуется меньше времени и меньше топлива для выхода в космос по сравнению со стартом в западном направлении.

При совпадении направления скоростей источника и фотона длительность переходного процесса меньше, а при несовпадении больше, чем при покоящемся источнике излучения фотонов. В первом случае (рис. 1, b) фотон при рождении потеряет меньше энергии (массы) и придет к нам с длиной волны, смещенной в ультрафиолетовую область, а во втором (рис. 1, с) потеряет больше массы и придет к приемнику с большей длиной волны, смещенной в инфракрасную область.

Таким образом, электрон атома источника излучения своим полем будет стремиться удержать фотон магнитными силовыми линиями, через которые и потечет масса электромагнитного поля (точнее, само поле) фотона к электрону атома источника излучения. Чем медленнее фотон будет удаляться, тем больше потеряет массы. Указанный процесс передачи энергии присущ, по-видимому, и другим частицам. Поскольку в таком процессе «масса» (эфирная субстанция) как бы перекачивается из одной частицы в другую, не имея возможности оформиться в фотон энергии, то эта часть энергии и не регистрируется в эксперименте.

Выявленная корпускулярная природа фотона дает все основания возвратиться к баллистической гипотезе, основанной на представлениях И. Ньютона о свете, как о потоке материальных корпускул. Однако эта гипотеза приобретает существенное ограничение. Вот его сущность.

Если неподвижную систему отсчета связать с космическим вакуумом и рассматривать в этой системе движение источника, излучающего фотоны, то независимо от направления движения и скорости источника излучения скорость излучаемых фотонов относительно выбранной таким образом системы отсчета всегда будет одна и та же и равна . Такой результат обусловлен тем, что постоянство скорости движения фотона генерируется электромагнитными (или магнитными) процессами, протекающими в его магнитной структуре.

Образно сущность процесса излучения фотона можно сравнить с выстрелами из пушки таких снарядов, которые независимо от начальной скорости вылета из ствола орудия сами бы потом набирали одну и ту же скорость относительно неподвижной системы отсчета, связанной с пространством. Отсюда вытекает и особенность фотонной баллистической гипотезы - отсутствие явления галилеевского сложения скоростей источника и излучаемого фотона. После же излучения фотон сам набирает всегда одну и ту же постоянную скорость относительно пространства, равную . Однако галилеевское сложение скоростей полностью сохраняется при встрече фотона с приемником, но на энергетическое состояние самого фотона это не влияет.

Конечно, формулы являются чисто кинематическими, поэтому они приближенно отражают электродинамический процесс излучения фотонов. Поскольку электродинамика процесса излучения фотонов ещё не разработана, то воспользуемся математическими моделями, описывающими энергетические показатели фотонов. Детали процесса их излучения в этом случае также остаются скрытыми, но основной показатель - частота излученного фотона рассчитывается точнее, чем при использовании кинематических математических моделей.

Мы уже показали, что полная энергия фотона равна сумме энергий его поступательного и вращательного движений , а также, что эта сумма зависит от величины скорости и направления движения источника излучения.

Если угол между направлением вектора скорости движения источника и направлением вектора скорости излучаемого фотона (рис. 2) равен , то полная энергия излученного фотона запишется так.

Учитывая, что и обозначая , после преобразований уравнения, найдем

Если направления движения источника и излучаемого фотона совпадают, то и

Когда направления движения источника и излучаемого фотона противоположны, то и

Рис. 2. Схема сложения скоростей источника и фотона

В табл. 3 представлены результаты расчета по классическим математическим моделям, которые описывают инфракрасное и ультрафиолетовое смещение спектров.

Таблица 3. Результаты расчета фотонного эффекта Доплера

Классическим экспериментальным фактом, подтверждающим справедливость математических моделей, являются результаты одновременной регистрации обычных спектральных линий атома водорода, получаемых с космического объекта SS433 и спектральных линий, смещенных в ультрафиолетовую и инфракрасную области спектра. Это указывает на то, что основная часть космического объекта SS433 покоится относительно пространства, а две другие части движутся относительно пространства. Причем, та часть, которая генерирует ультрафиолетовое смещение, движется в направлении Земли, а та, которая генерирует в тот же момент времени инфракрасное смещение, движется по направлению от Земли. Зафиксирована и периодичность изменения величин этих смещений.