[вернуться к содержанию сайта]

(Тезисы доклада, сделанного на 4-й Всероссийской конференции “Радиоэлектронные средства получения, обработки и визуализации информации”, Нижний Новгород,
25 сентября 2014 г., см. презентацию доклада в MS PowerPoint)

    Один из способов преобразования частоты света основан на сообщении движения источнику или переизлучающим свет заряженным частицам [1, 2]. При этом для изменения частоты света в разы или на порядки применяют обычно эффект Доплера, что в рамках специальной теории относительности (СТО) требует скоростей V порядка скорости света c, то есть применения мощных ускорителей заряженных частиц [2, с. 171]. Напротив, в рамках баллистической теории Ритца (БТР) частоту света можно эффективно преобразовывать даже при сравнительно малых скоростях источников и переизлучающих сред [1].

    Согласно баллистической теории, источник увеличивает скорость света c' на величину своей скорости V по классическому векторному закону сложения скоростей: c' = c + V. Этот закон косвенно подтверждают результаты астрономических наблюдений, космической радиолокации, GPS и ГЛОНАСС [3, 4]. Так, один из главных аргументов против баллистической теории, основанный на анализе движений двойных звёзд,– не противоречит теории Ритца [1, 5]. При сообщении скорости звёзд V испущенному ими свету, их видимое движение и графики лучевых скоростей исказились бы так, что в дальних участках орбиты движение звёзд казалось бы ускоренным, а в ближних – замедленным, словно орбиты вытянуты в сторону Земли. В 1913 г. Де Ситтер отметил, что эффект не наблюдается, но в том же году астрономы Гутник и Фрейндлих, изучив статистику двойных звёзд, показали, что эффект действительно открыт в виде так называемого эффекта Барра, в соответствии с которым большинство орбит кажутся вытянутыми в сторону Земли [1, 5]. Как показано в монографии [6], имеет место именно искажение графиков лучевых скоростей. Аналогичный эффект обнаружен у экзопланет [1, 7], причём у ряда из них наблюдаемые аномально высокие эксцентриситеты орбит могут быть как раз следствием этих искажений.

    Малую величину наблюдаемых искажений, которая и привела Де Ситтера к выводу об ошибочности баллистической теории, Дж. Фокс объяснил в 1965 г. переизлучением света двойных звёзд в межзвёздном газе на дистанции l = λ/2π(n – 1) ~ 1 св. года [8], где λ – длина волны света, n – показатель преломления газа. В итоге, лучи света лишь начальный участок пути l (порядка 10^–3 от полной дистанции звёзд L ~ 10³ св. лет) проходят со скоростью отличной от c. А искажения, набранные на этом пути, составляют порядка k = l/L ~ 10^-3 от теоретических, в согласии с анализом Де Ситтера [1]. Это же объясняет отсутствие искажений у двойных рентгеновских пульсаров, для которых, согласно К. Брэчеру [9], величина искажений составляет k < 10^-9 от теоретической. Однако эта величина согласуется с баллистической теорией, если учесть по Фоксу [8], что рентгеновские лучи переизлучаются в общей атмосфере рентгеновских пульсаров. Для рассмотренных Брэчером систем Cen X-3, Her X-l, SMC X-l, при орбитальных периодах P ~ 1 сут и скоростях V ~ 100 км/с, радиусы орбит пульсаров составят R ~ PV ~ 10 млн. км, то есть орбиты лежат внутри короны главной звезды. Действительно, расстояние R сравнимо с размером внешней атмосферы – короны звёзд, где, например, для Солнца [10, с. 625], концентрация ионов N ≈ 10⁸ см^–3. Согласно [9], l ≈ (λa₀N)^–1 ~ 2·10¹¹ м ~ 200 млн. км ~ 1 а.е., где длина волны рентгеновских лучей λ ≈ 2·10^–11 м, классический радиус электрона a₀ = e²/mc² ≈ 2,82·10^-15 м. Эта длина l сравнима с R и характерным размером корон звёзд. То есть, у таких рентгеновских пульсаров переизлучение происходит внутри короны главной звезды. И при дистанции пульсаров L ~ 10 кпк [9], в рамках БТР k = l/L < 10^–9, в согласии с результатом Брэчера. Кроме того, недооценено переизлучение рентгеновских лучей межзвёздным газом. Итак, аргументы Брэчера и Де Ситтера свидетельствуют не против, а в пользу баллистической теории.

    Результаты космической радиолокации тоже свидетельствуют в пользу теории Ритца [3, 4]. Например, измеряемая радаром дистанция Венеры систематически превышала расчётную при отдалении Земли от Венеры, ввиду снижения скорости радиосигнала и переоценки измеренной по задержке дистанции L. А при сближении планет измеренная дистанция получалась меньше расчётной, ввиду роста скорости радиосигнала. При концентрации электронов в межпланетной плазме N ~ 0,1 см^–3 [10, с. 398] и рабочей длине волны λ ~ 0,3 м (f = c/λ ~ 1 ГГц), длина переизлучения l ≈ (λa₀N)^–1 ~ 12·10⁹ м, что сравнимо с минимальным расстоянием между планетами L ~ 42·10⁹ м. Видимо, за счёт этого, при росте дистанции Земля-Венера, по достижении им значения L ~ 10¹⁰ м величина ошибок измерения L прекращала расти [4].

    Так же и в системах спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС обнаружены систематические ошибки измерения дистанций. В моменты, когда лучевая скорость спутника равна нулю, и по баллистической теории скорость сигнала точно равна c, ошибка измерения дистанций – минимальна [3, 4]. Также открыто, что для приёмников в высоких широтах ошибка измерения дистанций спутников выше, чем в умеренных и экваториальных. С точки зрения баллистической теории, причина этого в том, что радиосигналы в космосе достигают приёмника, расположенного в высоких широтах, без переизлучения (рис. 1). Ведь концентрация ионов в плазмосфере Земли (простирающейся до 2-х радиусов Земли) составляет N = N₁ ~ 10² см^–3, откуда при рабочей длине волны λ ~ 1 см и частоте радиосигналов f = c/λ ~ 30 ГГц длина переизлучения l ≈ (λa₀N)^–1 ~ 356000 км, что много больше общего пути радиолуча L ~ 20000 км, и переизлучения нет. В ионосфере при концентрации ионов N ~ 10⁶ см^–3 на высоте ~ 100 км получим l ~ 35 км. Однако высота ионосферы ~ 100 км, и основную часть пути радиосигналы в космосе движутся с избытком скорости c'. Соответственно, ошибка измерения дистанции L максимальна – порядка десяти метров.

Рис. 1. Схема радиационных поясов Земли и GPS-радиолокации.

    Для приёмников в умеренных и экваториальных широтах радиосигнал пересекает радиационные пояса Земли (рис. 1), где N = N₂ ~ 10⁷ см^–3, а длина переизлучения l ≈ (λa₀N)^–1 ~ 4 км. То есть, переизлучение в поясах толщиной b ~ 1000 км успеет привести скорость радиосигнала c' к номинальной c: сигнал переизлучится примерно на половине пути L между спутником и приёмником, а ошибки снизятся в разы. Другие радарные измерения, скажем у АМС “Пионер-10,-11”, тоже свидетельствуют в пользу теории Ритца [3, 4]. Таким образом, данные астрономии и космической радиолокации подтверждают зависимость скорости света c' от скорости V источника.

    Если эта зависимость выполняется, будет справедлив эффект Ритца [1, 4]. Согласно ему источник, движущийся от наблюдателя с ускорением a (его проекция на луча зрения r – лучевое ускорение a_r > 0), в каждый последующий момент времени сообщает свету всё меньшую скорость, и световые фронты отстают друг от друга, наращивая длину волны λ до значения λ' = λ(1 + La/c²), снижая частоту света f и его концентрацию в пространстве пропорционально пути L, тем самым снижая его яркость W [1]. Напротив, источник, движущийся к наблюдателю с ускорением a (лучевое ускорение a_r < 0), постепенно сообщает свету всё бóльшую скорость, и световые фронты догоняют друг друга, сокращая λ до λ' = λ(1 – La/c²), повышая частоту f и концентрируя свет в пространстве, наращивая его яркость W. В общем случае [1, 7] изменение длины волны λ', частоты света f ' и регистрируемой мощности излучения W' имеет вид, соответственно,

λ' = λ(1 + La_r/c²), f ' = f /(1 + La_r/c²), W' = W/(1 + La_r/c²).                (1)

    Подтверждением эффекта служит красное смещение галактик λ' = λ(1 + LH/c), растущее как раз пропорционально дистанции L [1, 5]. А измеренная величина ускорения в видимых участках галактик a_r < 0 даёт коэффициент пропорциональности a_r/c близкий к измеренной величине постоянной Хаббла H.

    В пользу эффекта свидетельствует и ряд физически переменных звёзд: цефеид, сверхновых и т.п. По гипотезе Ла Розы эти объекты – обычные двойные звёзды, регулярно меняющие яркость и спектр за счёт вариаций a_r при движении по орбите. В ряде случаев преобразование частоты света столь велико, что оптическое излучение звезды переводится в радиодиапазон (если f ' снижено в 10³–10⁷ раз относительно f) или в рентгеновский и гамма-диапазон (f ' повышено в 10³–10⁷ относительно f). Это объясняет природу источников радио-, рентгеновского и гамма-излучения: пульсаров, барстеров, квазаров, радиогалактик, сейфертовских и взрывающихся галактик. По теории Ритца они могут оказаться рядовыми звёздами и галактиками [11], с оптическим спектром, переведённым эффектом Ритца в другие частотные диапазоны.

    Это ставит под сомнение аргумент Брэчера, полагавшего, что эффект переизлучения не скажется на скорости рентгеновских и гамма-лучей, т.к. для них l >> L [9]. Если же рентгеновские импульсы пульсаров представляют собой обычный свет звёзд, преобразованный эффектом Ритца, то на участке пути, где свет ещё не преобразовался в рентгеновский диапазон, переизлучение идёт на длине l ~ 1 св. года. Брэчер полагал, что механизм генерации гамма-излучения – синхротронный, а скорость его источников-электронов V > 0,1c, откуда по длительности dt гамма-всплесков нашёл k = (с²/2V)(dt/r) < 10^–20 [12]. Но реальный механизм генерации гамма-вспышек барстеров (GRB), как отмечал Брэчер, не выяснен. И если гамма-излучение – это оптическое излучение звёзд, повысившее частоту по эффекту Ритца, то истинные скорости V – на порядки ниже, а k – на порядки выше и соответствует прогнозу баллистической теории.

    То же верно для галактик – источников радио-, гамма- и рентгеновского излучения. Сила тяготения в ядрах галактик создаёт центростремительные ускорения a, и на ближней к Земле стороне галактик и звёзд, где a_r > 0, свет преобразуется эффектом Ритца в радиодиапазон, а на обратной стороне, где a_r < 0, свет переводится в рентгеновский и гамма-диапазон. Тогда обычные галактики наблюдаются как квазары, радиогалактики, сейфертовские галактики, и для них эффект Ритца подтверждается сравнимостью мощности их радиоизлучения, рентгеновского и гамма-излучения с типичной мощностью оптического излучения галактик. Роль эффекта Ритца подтверждает выявление этих объектов лишь с определённых дистанций L, поскольку сдвиг частоты по эффекту (1) пропорционален L, и свет переводится в другие частотные диапазоны лишь с дистанции L ≥ c²/a. По той же причине концентрация и радиояркость квазаров и радиогалактик растёт при удалении [13] от перевода всё большей части света в радиодиапазон.

    Долгое время не удавалось объяснить и быстрые вариации яркости квазаров и радиогалактик. В рамках эффекта Ритца их удаётся объяснить тем, что свет, пересекая облака межгалактического газа, переизлучается и далее не преобразуется. В зависимости от концентрации ионов N межзвёздной среды, будет быстро меняться l, эффективность переизлучения и видимая яркость галактики в оптическом и радиодиапазоне, без изменения истинной мощности излучения галактики. Концентрация ионов может быстро меняться в большом объёме, например, при прохождении фронта ионизующего излучения. В итоге, свет, пересёкший такой объём газа, на Земле покажется мгновенно изменяющим свою яркость. Примерно так и свет звёзд кажется быстро мерцающим, меняющим частоту, ввиду рефракции и переизлучения в быстро меняющейся атмосфере Земли, хотя истинная яркость звёзд не изменяется за столь краткие времена.

    Вклад переизлучения особенно велик в нашей Галактике, где концентрация атомов выше: N ~ 1 см^–3. Это объясняет спектр космических мазеров и эмиссионных туманностей вокруг звёзд [14, 15]. Поскольку эффективность поглощения и рассеяния света нарастает возле резонансных частот линейчатого спектра атомов и молекул, то свет звёзд, по мере движения плавно меняющий частоту по Ритц-эффекту (1), будет эффективно поглощаться и переизлучаться по достижении частотой света f ' этих резонансных частот f_0i. Действительно, показатель преломления n стремительно растёт возле резонансных частот f_0i = c/λ_i:

,

где S_i – коэффициенты, характеризующие концентрации, массы, заряды и силы осцилляторов в молекулах газа. В итоге, для этих частот длины переизлучения l_i = λ_i/2π(n – 1) снижены: свет эффективно поглощается и переизлучается возле данных частот, и далее эффект Ритца не меняет частоту света. Тогда значительная доля мощности излучения звезды высвечивается в виде ярких эмиссионных линий на частотах f_0i. Это объясняет существование эмиссионных туманностей, в том числе вокруг цефеид и сверхновых, для которых эффект Ритца особенно велик [15]. В случае перевода оптического излучения по эффекту (1) в радиодиапазон, почти вся энергия звезды высвечивается в виде радиолиний молекул OH, H₂, H₂O и т.д. Подобный эффект наблюдается в космических мазерах, природа которых до сих пор не выяснена [10]. Эффект Ритца элементарно объясняет такое преобразование частоты света и то, почему эффект наблюдается у красных гигантов и переменных типа Миры Кита, у которых переменность как раз можно объяснить эффектом Ритца. Напротив, энергия излучения звёзд, повысившего частоту по эффекту Ритца, может высветиться в виде рентгеновских и гамма-линий атомов и ядер, что реально наблюдается [10].

    Эффект Ритца (1) может быть проверен в земных лабораториях на длинах L ~ 1 м, в том числе с целью преобразования импульсов лазерного излучения в импульсы рентгеновского, терагерцового и СВЧ-излучения [1, 5]. Для этого лазерное излучение должно пройти сквозь сгусток электронов, ускоряемых электрическим полем E. В случае преобразования света в рентгеновский или ТГц-диапазон, достаточно ускорять электроны в поле напряжённостью E = 10⁶–10⁹ В/м [1].

    Ускорение a_c ~ c²/L ~ 10¹⁷ м/с², достаточное для изменения частоты света в разы, электронам может сообщать и магнитное поле в синхротронах, поскольку при радиусе орбиты R ~ 1 м центростремительное ускорение a = V²/R достигает значения a_c ~ 10¹⁷ м/с² при скорости электронов V ~ c, достижимой в синхротронах (рис. 2). Преобразование частоты происходит после рассеяния света на ускоренно движущихся электронах, становящихся вторичными источниками излучения. Частота и длина волны света при этом преобразуется по формуле (1), но лучевое ускорение a_r ≠ a = V²/R и зависимость λ' = λ(1 + La/c²) выглядит сложнее [7], т.к. меняется не только направление скорости, но и направление на источник A.

    Действительно, из рис. 2, где изображена орбита электрона e, видно, что лучевая скорость (проекция скорости V на r – луч зрения CA из приёмника C) равна V_r = Vsinα, где α = β – φ. При малости углов β и φ, опирающихся на общее основание AB, получим β ≈ φOB/CB = φR/L. Отсюда V_r = Vsin[φ(R – L)/L] ≈ -Vφx/L, где x = (L – R) – смещение приёмника C от центра орбиты O электрона. Лучевое ускорение a_r = dV_r/dt ≈ -Vωx/L, где ω = dφ/dt  – угловая скорость электрона, откуда

f ' = f/(1 + La_r/c²) = f/(1 – xV²/Rc²).                        (2)

    В предельном случае (x = 0), если приёмник C в центре орбиты O, f ' = f.

    В другом предельном случае, если приёмник лежит возле линии полёта электрона (L = 0, x = -R), и в ближайшей окрестности точки B это движение можно считать прямолинейным, получим f ' = f/(1 + V²/c²). По сути, эффект Ритца переходит в выражение поперечного эффекта Доплера, но удвоенной величины. Для прямолинейного движения частота меняется не от вариаций скорости V, а от изменения направления CA на источник. Ранее тот же результат был получен в рамках классического эффекта Доплера в системе отсчёта приёмника [16, 17]. Это показывает частичную эквивалентность эффектов Доплера и Ритца, в ряде случаев переходящих один в другой, в зависимости от системы отсчёта [15].

    Наконец, в третьем предельном случае, когда расстояние L >> R (x ≈ L), можно пользоваться классической формулой (1), приняв a_r ≈ a = V²/R, поскольку при движении источника направление на него практически не меняется, ввиду его дальности. Именно этот случай реализуется для звёзд и галактик, где радиусы орбит R исчезающе малы по сравнению с расстояниями L до них. Наиболее общий случай преобразования частоты света при разных вариантах движения источника и приёмника рассмотрен в работе В.П. Золотухина [17]. Отметим, что в теории Ритца свойства синхротронного излучения (диаграмма направленности и спектр) соответствуют опытам и выводам СТО, если учесть, что в классическом случае для ультрарелятивистских электронов скорость V ≈ γc [15]. Это же объясняет зависимость мощности W излучения электрона от γ-фактора: W ~ a² = V⁴/R² = γ⁴c⁴/R², в согласии с результатами экспериментов.

    При достижимых в лаборатории ускорениях источников света изменение длины волны эффектом Ритца столь мало, что может быть зарегистрировано только по эффекту Мёссбауэра. Действительно, эффект регистрировался, скажем для источника и поглотителя гамма-лучей на роторе, крутящемся с угловой скоростью ω [18]. Так, при размещении источника на ободе ротора, а поглотителя – в центре O, частота f ' = f, согласно (2). Однако длина волны γ-излучения на поглотителе λ´ = c´/f ´ преобразуется по сравнению с исходной λ = c/f, так как скорость света, регистрируемая на поглотителе, c´ ≠ c. При скорости поглотителя V = ωR получим

,                        (3)

откуда λ´ = c´/f ≈ λ(1 + ω²R²/2c²) ≈ λ(1 + V²/2c²), что совпадает с результатом опытов и общей теории относительности и с выводом СТО о величине поперечного эффекта Доплера [15, 18].

В общем случае, если источник 1 находится на расстоянии R₁ от центра ротора O, а приёмник 2 – на R₂ (рис. 3), регистрируемая частота не меняется (f ' = f, т.к. расстояние 1-2 неизменно), скорость источника V₁ = ωR₁, а приёмника V₂ = ωR₂. Из (3) в лабораторной системе отсчёта скорость света c', идущего в направлении поглотителя,

.

    А для скорости света c'', поступающего в поглотитель, в его системе отсчёта получим из параллелограмма скоростей (рис. 3)

    В таком случае Δλ = λ´´ – λ = c´´/f – c/f = λω²(R₂² – R₁²)/2c² и Δλ/λ = ω²(R₂² – R₁²)/2c², что совпадает с результатами всех известных опытов с применением эффекта Мёссбауэра [15, 18].

Рис. 3. Схема изменения скорости света и длины волны на роторе по эффекту Мёссбауэра.

    Таким образом, выводы баллистической теории соответствуют результатам астрономических наблюдений и лабораторных экспериментов. Для однозначной проверки баллистической теории следует напрямую измерить скорость света c´ от подвижного источника и преобразование частоты света по эффекту Ритца при рассеянии света на движущихся с ускорением заряженных частицах.

    Выражаю признательность проф. М.И. Бакунову за обсуждение особенностей эффекта преобразования частоты света в синхротроне. Работа выполнена в рамках программы развития “ННГУ-НИУ”.