скорость света

По А. Эйнштейну всё можно оценить лишь относительно, но скорость света абсолютна. Постоянство скорости света — модельная абстракция, возведённая А. Эйнштейном в ранг закона.

Несмотря на особую роль скорости света в физике, никогда не ставился вопрос о происхождении этого параметра. Он воспринимался как факт, но не объяснялся. Это породило постулаты и различные трактовки явлений, связанных со скоростью света. Скорость света — явление объектное, она формируется структурой квантов света — фотонов.

Свет — это волны, но не волны, распространяющиеся в какой-то среде. Составляющие свет кванты-фотоны являются элементарными объектами, сформированными субстанцией, её свойствами в виде волн. Причём, это не застывшие волны, а волны, непрерывно воспроизводимые динамическими свойствами субстанции. Исторически случилось так, что фотон определён как квант электромагнитного поля (ЭМП), это определение используют и сейчас. Однако, правильнее фотон определить просто как один из видов материальных квантов. В то же время параметры ЭМП взаимодействий следует оценить как результат наблюдения за материальным полем, наблюдения за определённой субстанциальной структурой, участвующей в этом взаимодействии. Эти нюансы необходимо иметь в виду знакомясь с дальнейшим изложением.

Вращательно-поступательное движение субстанции выступает системообразующим при формировании любых объектов, полей, материальных систем, в том числе излучающих свет. Скорость поступательного движения субстанции «С» является лишь одной из составляющих, характеризующих сложные движения субстанции, эта составляющая выделяется на переднем фронте любой волны ЭМП, естественно, и на переднем фронте свободно летящего фотона. Оторвавшиеся от источника света фотоны движутся с этой субстанциальной скоростью, поэтому скорость фотонов, измеренная в системе источника, является константой, представляет максимальную формируемую скорость в природе. В другой системе отсчёта это излучение может двигаться с другой скоростью, но С сохраняется как предельное значение скорости поступательного движения в природе, как параметр движения субстанции.

Движение фотонов самоформирующееся, текущее состояние фотона получается преобразованием предыдущих состояний через свойства субстанции, образующей фотон. (Хороший повод объединить пространство и время в четырёхвектор: фотон движется относительно своего отпечатка в предыдущем моменте времени.) Движение фотона физически не связано с источником излучения и его движением, это эквивалентно постоянному движению в одной системе отсчёта, начиная с момента отрыва, а не в каком-то абстрактном пустом пространстве. Поэтому скорость движения фотона равна скорости, измеренной в инерциальной системе источника, в которой фотон формировался. Движение случайно встретившегося фотона виртуально привязано к источнику (точнее — к состоянию источника в момент отрыва фотона).

Преобразования Лоренца, использованные при построении специальной теории относительности (СТО), выводились для случая, когда неподвижная и наблюдаемая движущаяся инерциальные системы находятся в непосредственном контакте (таков режим измерения параметров движущегося поля). При выволе СТО возник вопрос об обмене информацией между удалёнными системами, то есть специфический для СТО вопрос о скорости света в различных инерциальных системах. И было бездоказательно постулировано, что скорость света, сформированного каким-то источником, постоянна в любых инерциальных системах.

Некорректным является распространённое утверждение, что принцип инвариантности скорости света следует из принципа относительности. Из последнего принципа следует, что инвариантом является закон, которому следует самоформирующееся движение фотонов, а не количественная оценка этого движения. Принцип относительности обсуждает вид уравнений, описывающих законы, а не значения параметров и коэффициентов в них. Скорость света постоянна с той точностью, с какой инвариантность вида уравнений, описывающих законы, соответствует их полной тождественности. Однако, вид уравнений, описывающих физические законы в различных инерциальных системах, подобен но не тождественен. Постулат о постоянстве скорости света не связан с принципом относительности, это независимое утверждение.

Природные явления также говорят о несостоятельности постулата о постоянстве скорости света. Прежде всего наблюдаются отличия скорости одного и того же луча света в системе отсчёта приёмника при разных направлениях движения. Это отражается в эффекте Доплера. Для малых скоростей движения источника электромагнитных волн относительно приёмника эффект описывается точно так же как в акустике. Сложение скоростей представляется просто и доказательно, но имеется нюанс, связанный с отсутствием среды, в которой распространяются волны.

Эффект Доплера для световой волны иллюстрируется просто.

В качестве мысленного эксперимента представим часть световой волны в виде сферического слоя симметричного относительно источника и характеризуемого числом периодов наблюдаемых колебаний одинаковым во всех направлениях. Эта характеристика, определяемая не измерением а счётом, является инвариантом при переходе из одной инерциальной системы в другую. Поскольку излучённая волна уже не связана с источником, её частота при постоянстве числа периодов определяется временем прохождения через приёмник, значит скоростью. Два приёмника, выставленные с противоположных сторон от центра волны в другой инерциальной системе,движущейся относительно источника излучения,, отметят разные скорости одной и той же световой волны при движении в разных направлениях в соответствии с эффектом Доплера.

Эффект Доплера образуется в результате наблюдения за движущейся волной. Количественно он определяется через относительную скорость волны и приёмника. В таком плане эффект для электромагнитных волн полностью аналогичен эффекту для акустических волн. Но в акустике существует среда в которой распространяются волны и движется приёмник.Для электромагнитных волн среда распространения отсутствует. Поэтому для рассмотрения эффекта привлекаются скорости источника излучения, с которым связана волна, и приёмника. Действующим фактором остаётся относительная скорость световой волны и приёмника при их встрече; как следует из эффекта эти скорости различны для разных систем отсчёта.

Расчёты на основе СТО описывают в объединённом виде два эффекта, называемые продольным и поперечным эффектами Доплера для световых волн.. Продольным назван вышеупомянутый эффект, определяемый через векторное сложение скоростей.

Поперечный эффект Доплера обычно связывают с замедлением времени в системе движущегося источника, как это представлено в СТО для релятивистских значений скоростей. Но, заметим, время является описательным параметром, и его изменения не могут являться причинным фактором. Фактически из работ А.Г.Лоренца по электродинамике движущихся сред следует, что при больших (релятивистских) скоростях источника скорость ЭМП уменьшается. Это является причинным фактором «поперечного» эффекта Доплера и поясняется ниже.

Преобразование Лоренца в применении к ЭМП описывает случай, когда на собственное движение поля в пространстве-времени накладывается дополнительное движение в пространстве. Именно за счёт изменения движения поля изменяются его параметры, а при наложении движений они изменяются так, как если бы поле «уплотнялось». Наряду со скоростью движения систем V и скоростью поля С появляется третья скорость (обозначим С*), вычисляемая как корень квадратный из разности квадратов С и V ( оператор Лоренца можно записать как С*/С).

В уравнениях Максвелла, описывающих параметры и движения ЭМП, присутствует (в явном виде в системе единиц СГС) скорость ЭМП равная скорости света С, она определена как электродинамическая постоянная.Эта постоянная связывает изменения параметров поля во времени с изменениями в пространстве, объединяя их в скорость движения поля. Изменение этой константы отвечают за изменения параметров поля. Для поля в движущейся системе электродинамическая постоянная пребразуется через оператор Лоренца из С в С*. Это и есть скорость движения ЭМП, сформированного в движущейся системе, измеренная относительно неподвижной системы. В других системах единиц оператор Лоренца может пристраиваться к электрической и магнитной постоянным, что также даёт в результате изменение скорости движения поля.

Изменение скорости движения ЭМП в движущейся системе по отношению к скорости движения поля в неподвижной системе объясняется тем, что для движущейся материальной системы системообразующее движение субстанции (со скоростью С в неподвижной системе) является относительным, перенесённым со скоростью V. Скорость перенесённого движения равна С*. Это наблюдаемое изменение системообразующего движения субстанции, связанное также с приращением энергии движущейся материальной системы, и даёт в результате изменение скорости излучаемого света.

Опуская всю цепочку построений, ведущую к виду преобразования Лоренца, рассматривая конечный результат, можно утверждать, что преобразование Лоренца выведено для описания релятивистских изменений скорости электромагнитного поля при смене инерциальной системы отсчёта. Это касается и излучений поля. Выражение С* = √С² − определяет релятивистское значение скорости света, излучаемого движущимся источником, скорость света уменьшается. (Для читателя словосочетание «релятивистское значение скорости света» может показаться странным.)

Полный эффект Доплера получается через объединение векторного и квадратичного сложения скоростей.

Таким образом в наблюдении за световой волной отмечаем следующие моменты.

— Наблюдаемое значение скорости света зависит от системы отсчёта; значение скорости света относительно а не абсолютно.

— В системе источника скорость света (в вакууме) совпадает со скоростью системообразующего движения субстанции С, это фундаментальная константа для всех систем, она соответствует максимальной формируемой скорости в природе.

— Результат наблюдения за световой волной, приходящей в систему приёмника, описывается эффектом Доплера через относительную скорость волны и приёмника, она может превышать максимальную формируемую скорость.

Эффект Доплера следует понимать и в более широком смысле, как сжатие или растяжение передаваемой с помощью световых волн информации.

— Скорость света, формируемого движущимся источником,то есть скорость света, приходящего к приёмнику из движущейся системы, описывается через преобразование Лоренца, она уменьшается с ростом скорости источника. Этот эффект складывается с красным смещением Доплера и соревнуется с синим.

— Отдельно стоит вопрос о значении скорости света при движении фотонов в градиентном гравитационном поле. Если в моделях СТО значение скорости света назначено постоянным и не зависящим от системы отсчёта, то в модели ОТО скорость света назначена постоянной и по значению и по направлению и не зависящей от взаимодействия света с полем гравитации. Непостоянство скорости света переведено в кривизну пространства-времени.

Тезис о постоянстве скорости света следует исключить из обихода.