Как мы видим. О свете.

Андрей Кирсанов.

Адрес электронной почты: nabludatel2010@gmail.com

-----------------------------------------------------------

Когда человек смотрит вокруг себя на окружающий мир, то не имеет значения какие оптические приборы он собирается использовать – во всех случаях он будет видеть изображения предметов. Свет, идущий от окружающих предметов, и будет формировать это изображение. Причём предметы выступают в роли излучателей, а человек как наблюдатель – является приёмником. Рассмотрим подробнее, какое изображение, идущее от излучателя, видит наблюдатель (человек, либо регистрирующие свет приборы).

-----------------------------------------------------------

Один из постулатов Специальной Теории Относительности (СТО) А.Эйнштейна гласит, что по всем направлениям скорость распространения света в пустоте имеет одно и то же значение с (3×10⁵км/с). Трактовка же этого постулата озвучивается в следующем виде: при движении света от объекта А в направлении к объекту В, наблюдатель объекта А полагает, что скорость удаления от него света равна с, в то время как и наблюдатель объекта В видит свет, приближающийся со всё той же скоростью с:

рисунок 1.

А.Эйнштейн при формулировании этого постулата полагался на результаты существующих экспериментов, в которых измерялась величина скорости света. Другими словами, А.Эйнштейн считал, что схематически представленное на рисунке1 как раз и удалось наблюдать в этих многочисленных экспериментах. Так ли это? Попробуем разобраться что именно не учёл в экспериментах А.Эйнштейн, рассуждая о постоянстве скорости света. И в чём выражается неточность постулата, в описании окружающей нас действительности.

Дело в том, что все известные опыты по определению скорости света были построены таким образом, что особое значение всегда имело движение света по направлению к наблюдателю. На рисунке1 таким наблюдателем является объект В – именно в его направлении движется свет. За что же оказался обделённым объект А? Всё просто. Свет удаляется от этого объекта, а любым прибором регистрируется лишь то, что приближается. Таким образом, движение света в вакууме к наблюдателю является необходимым условием для того чтобы иметь хоть какое-то суждение о свете. Наблюдатель же объекта А свет даже не видит. Как ему поступить, чтобы добыть информацию о движении света? Выход, полагает объект А, надо найти, и его осеняет: «Ведь можно спросить у объекта В!». Мол, объект В увидел же вспышку, свет которой шёл по направлению к нему, вот он и расскажет. Опять мы пришли к тому, что напрямую наблюдает свет лишь тот, к кому этот свет приближается, в данном случае это объект В. А потом свои знания объект В, конечно, может передать куда угодно и в какой угодно доступной для него форме. Если есть желание, то может даже в учебники записать(!), а мы потом прочитаем, и узнаем настоящую правду о свете, при этом находясь или неподалёку от В, или ещё где-нибудь.

Из того что объект В видит вспышку света, мы, конечно, можем предполагать о факте движения света, но для определения скорости движения нам этого будет недостаточно. Для определения скорости любого объекта, необходимо знать пройденный путь и время, в течение которого этот путь был пройден. Применительно к ситуации со светом, в определении его скорости, очень удачным оказалось использование зеркала. Достаточно объект В заменить на зеркало, и тогда объект А уже имеет возможность не только излучать свет, но и регистрировать его после отражения от зеркала. Конечно, оставался вопрос о поведении зеркала как посредника, во временной задержке света, но потом выяснилось, что время взаимодействия с В пренебрежимо мало. Можем приступать к делу:

рисунок 2.

Для начала положим, что А и В располагаются на какой-то прямой и неподвижны относительно друг друга. На рисунке2(а) излучаемый объектом А свет движется в направлении к зеркалу В. А после отражения от зеркала свет возвращается к объекту А, что изображено пониже, на рисунке2(б). Заранее измеряя на прямой расстояние от А до В и засекая время движения света от момента излучения объектом А до последующего поглощения этим же объектом А, мы вполне в состоянии определить скорость движения света. Ну а после проведения этих экспериментов при разных расстояниях и направлениях от А до В, мы уже с полной уверенностью имеем право утверждать, что относительно А скорость света постоянна и имеет величину с. Поскольку объект В неподвижен относительно объекта А, то и для него скорость света имеет значение с.

Казалось бы, все, что нам удалось выяснить здесь, пока только подтверждает положения Теории Относительности. Но это пока, а дальше уже намечаются следующие разногласия. Обратим внимание на участок движения света от зеркала В до объекта А, это вторая половина пути света. Свет связан с зеркалом в момент переизлучения (отражения), но после переизлучения света зеркалом В, связь света с зеркалом теряется, и дальнейшее движение света происходит независимо от последующего расположения зеркала. Во время движения света к объекту А, зеркало может оказаться, например, в точке В₁, В₂, В₃ или В₄. То, что зеркало меняло своё положение, никак не скажется на изменении скорости света относительно объекта А. Для объекта А имеет значение положение зеркала только в момент переизлучения света (точка В). Именно расстояние ВА и есть пройденный светом путь относительно объекта А. Сама же точка В является для объекта А лишь точкой излучения. И, как видно из рисунка3, точка излучения (В) всегда неподвижна относительно объекта А:

рисунок 3.

Таким образом, на участке от точки излучения до объекта наблюдающего свет, значение скорости света имеет постоянную величину. На рисунке3 показано, что зеркало вполне могло оказаться в точке В₄ в момент, когда свет ещё не дошёл до объекта А, и таким образом, расстояние ВВ₄ является существенно большим, чем расстояние от В до света. Получается, что скорость зеркала после момента излучения может быть совершенно любой относительно А, в том числе и сверхсветовой – даже в этом случае скорость зеркала уже никак не повлияет на определение скорости света объектом А. По большому счёту особое значение имеет точка излучения и, конечно же, расстояние от наблюдателя А до этой точки излучения. Пропади, либо взорвись зеркало после момента излучения – всё-равно этот факт совершенно никак не сказался бы на движении света от точки излучения до объекта А.

В рассмотренной на рисунке3 ситуации, зеркало является излучателем, а объект А – наблюдателем света, или приёмником если угодно. Нами уже выяснен принцип определения скорости света во всех соответствующих экспериментах. Есть ли возможность определить скорость света относительно зеркала, перемещающегося после переизлучения (рисунок3)? Напрямую без посредников сделать это, как мы уже поняли – невозможно. Необходим какой-нибудь объект, который увидит свет и даст знать об этом. Попробуем проследить, как же это может выглядеть, если сообщение о прибытии света будет посылаться тоже с помощью света.

Пусть «наш» объект α и зеркало удаляются друг от друга. В изображённый на рисунке 4(а) момент времени, зеркало переизлучает свет в направлении объекта α. При этом, во время излучения, зеркало находилось в точке В, а объект α в точке А. В данной ситуации зеркало является излучателем, а объект α – приёмником. Связываем систему отсчёта с приёмником и получаем, что зеркало, излучив свет в точке В, удаляется от точки излучения, ну и от объекта α тоже (рисунок4(б)).

рисунок 4.

Дальнейшее поведение света для зеркала, наблюдающего свет (рисунок5), в ситуации удаления зеркала от излучателя α выглядит следующим образом: излучатель α является удаляющимся объектом, а сам свет идёт из точки излучения А, неподвижной для зеркала. Именно той точки, в которой находился излучатель α в момент излучения:

рисунок 5.

Постоянство скорости света всегда подтверждается в системе отсчёта, связанной именно с тем объектом, к которому идёт свет (рисунки 4, 5). По этой причине постулат о постоянстве скорости света принимает уже следующую, более точную форму: из любой точки пространства в пустоте, движение света в направлении к приёмнику происходит с одной и той же скоростью для приёмника равной с. Именно это и наблюдалось во всех экспериментах по определению скорости света.

При этом отсутствует необходимость ограничения скоростей объектов в природе, поскольку при любой скорости излучателя (даже намного больше скорости света) свет излучается всегда из точки излучения. А точка излучения показывает местонахождение излучателя в какой-то момент времени, но никак не зависит от скорости самого излучателя. Точка излучения всегда неподвижна для приёмника. Очень похожая ситуация которая происходит в футболе: игрок даёт пас, тем самым мяч летит от него, и не факт, что сам пасующий останется на месте — он может перебежать в каком угодно направлении пока летит мяч. Сам же мяч летит с той точки на поле, откуда его послали.

Это широко используется в астрономии. Например, замечая звезду, наблюдаемую в тысячу световых лет, мы видим всего лишь её изображение. Перед нами является событие, которое происходило в данном месте тысячу лет назад. Всё очень просто. В представленном случае свет от звезды шёл тысячу лет, благодаря чему становится возможным наблюдать свет, излучённый из того места, где звезда была тысячу лет назад. Вполне естественно, что сама звезда после этого могла куда-нибудь переместиться.

ОТ РАЗРОЗНЕННЫХ ВСПЫШЕК К ПОСТРОЕНИЮ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

Когда человек смотрит вокруг себя на окружающий его мир, то не имеет значения какими оптическими приборами он собирается пользоваться – во всех случаях он будет видеть изображения предметов. Свет, идущий от окружающих предметов, и будет формировать это изображение. Причём предметы, по рассмотренной уже схеме, выступают в роли излучателей, а человек как наблюдатель – является приёмником. Рассмотрим подробнее, какое изображение, идущее от излучателя, видит наблюдатель (человек, а может и регистрирующие свет приборы).

Если в момент излучения, сам излучатель удаляется от наблюдателя, то наблюдатель видит свет с более длинной волной, нежели в случае неподвижного источника относительно наблюдателя. И, наоборот, если излучатель испускал свет, двигаясь в сторону наблюдателя, то длина волны света уменьшается. Это явление известно как эффект Доплера. С учётом уточнения постулата о скорости света, используем формулы Доплера для описания изображения, которое доходит до наблюдателя. Взаимосвязь длин волн света приближающегося объекта (R), неподвижного (r) и скорости движения самого объекта (V) можно представить в следующем виде:

(6.1) , для ситуации приближения объекта.

Скорость меняет своё значение на противоположное при удалении объекта от наблюдателя:

(6.2) , ситуация удаления объекта от наблюдателя.

Используя эффект Доплера, изобразим что именно увидит человек на Земле, заглядывая в иллюминатор удаляющегося космического корабля? Помимо увеличения длин волн всего спектра света (формула 6.2), наблюдателю бросится в глаза, что все движения внутри космического корабля замедлились. Землянин увидит замедленные движения космонавта, более заниженный его пульс. Часы на его руке замедлили свой ход, само время на космическом корабле замедлилось. Распространение света от включённого космонавтом фонаря землянин увидит в замедленном виде, что совсем не нарушает принятую в постулате поправку о наблюдаемом распространении света. И, наконец, сам космический корабль будет удаляться с меньшей видимой скоростью для землянина.

Если же космический корабль, напротив, будет приближаться к землянину с достаточной скоростью, то землянин в состоянии увидеть, что время на корабле убыстрилось, скорость самого корабля увеличилась относительно его реальной скорости.

Все эти наблюдения симметричны по отношению к наблюдателям, и будут также отображены в наблюдениях космонавта за землянином. Это следует из рассмотрения эффекта Доплера. Взаимосвязь упомянутых величин можно записать в следующем виде для приближения объекта:

(7.1) ,

где:

R – длина волны света движущегося объекта,

r – длина волны света неподвижного объекта,

V – скорость объекта (относительно наблюдателя),

U – видимая наблюдателем скорость объекта,

T – реальный интервал времени,

t – интервал времени наблюдаемый на объекте,

с – скорость света.

Описанные соотношения построены на чётком представлении что является реальным объектом, а что всего лишь его изображением наблюдаемого при помощи света.

Следует заметить, что в формулах представлен предельный случай — либо приближение объекта к наблюдателю, в котором скорость принимает положительное значение, либо удаление объекта, при рассмотрении которого его скорость меняет свой знак на отрицательный. Сложные движения, естественно, потребуют непринципиальных дополнительных поправок.

В формуле (7.1) интересно прослежена связь между реальной скоростью объекта и той, что мы видим. Эту взаимосвязь видимой наблюдателем скорости объекта ( U ) и его реальной скорости ( V ) можно показать в следующем виде для ситуации приближения объекта:

(7.2) .

Если взять скорость за отрицательную в ситуации, когда объект удаляется, то можно получить:

(7.3) .

При удалении объекта от наблюдателя, его видимая (с помощью света) скорость будет всегда меньше реальной.

Как уже несколько раз подчёркивалось – свет излучается из точки пространства, где находился объект в момент излучения, так называемой точки излучения. А само движение света никаким образом не привязано к объекту наблюдения. Поэтому относительные скорости объектов могут быть любыми, и даже превышать величину скорости света (см. пункт4). Механизм распространения света от этого не изменится. Так, короткоживущие элементарные частицы успевают, до их распада, проходить большие расстояния не благодаря суперспособности однобокого замедления времени, а просто имея достаточную скорость — всё-таки поспевают переместиться из одной точки в другую, не распадаясь.

Как движение объекта с любой скоростью отображается на его спектре? С какой бы скоростью объект не удалялся, наблюдается увеличение длины волны света. Рассматривая случай приближения объекта, наблюдения (формула 6.1) дают уже другой результат. Не трудно увидеть, что при движении объекта к наблюдателю, длина волны света будет уменьшаться. После достижения объектом скорости света, длина волны начнёт снова расти. И, наконец, в случае приближения объекта к наблюдателю более чем с удвоенной величиной скорости света, длина волны будет больше, чем у неподвижного объекта! При таких скоростях приближения, нельзя однозначно утверждать по смещению спектра, удаляется объект или приближается. В обоих случаях длина волны света изображения будет больше неподвижного (относительно наблюдателя) объекта. И, конечно, хочется здесь отметить, что в окружающей нас вселенной количество изображений «удаляющихся» объектов будет увеличиваться с расстоянием. И проявление такого красного смещения допустимо только на очень значительном расстоянии, поскольку при большом удалении друг от друга возможна существенная разница в скоростях объектов.

Приближение объекта со скоростью более световой подарит наблюдателю очень интересное явление. Будет видно, что время на объекте потекло вспять. Это всего лишь видимое течение времени, как при просмотре киноплёнки в обратном направлении. На самом деле время на реальном объекте (а не его изображении) всегда течёт также как и у наблюдателя. По возвращении космонавта на Землю его часы показывают такое же время, как и у землянина. Если, конечно, оба исправно их заводили!

Данный механизм распространения света дарит ещё одно очень интересное явление, раздвигающее горизонт наблюдений за космическими объектами. Обратим внимание на следующее обстоятельство, представленное на рисунке6:

рисунок 6.

Как показано на рисунке6(а), приближаются друг к другу два объекта В и С, которые встречаются в некоторой точке D. Вдоль линии сближения этих объектов, в стороне, находится ещё один объект А(А₁), который посылает вспышку света объектам В и С.

Положение объекта А(А₁) в момент излучения показывает где находилась точка излучения. Расстояние же от точки излучения до объекта В является (А(А₁))В, а от точки излучения до объекта С – величина (А(А₁))С, что изображено на рисунке6(а). Расстояния эти, проходимые вспышкой света, не равны. Перенесёмся на часть (б) рисунка6 и убедимся, что свет вспышки от точки излучения до объекта С идёт дольше, чем от точки излучения до объекта В. Из этого всего можно сделать вывод, что на одном и том же расстоянии от излучателя удаляющийся объект будет видеть излучатель ближе, а приближающийся к излучателю – будет видеть излучатель дальше. Разница сохраняется пока существует относительное движение между объектами В и С.

Благодаря описанному свойству света становится возможным видеть более современное состояние космических объектов, а значит больше знать о них, начиная с существенного повышения точности определения дальности, которой они перед нами предстают в обычном режиме наблюдения.

Сделать бесплатный сайт с uCoz