Теория эмиссии света: альтернатива теории относительности

Введение

Эмиссионная теория относительности, также называемая эмиттерной теорией или баллистической теорией света, была конкурирующей теорией специальной теории относительности, объясняющей результаты эксперимента Майкельсона — Морли 1887 года. Эмиссионные теории соблюдают принцип относительности, не выделяя привилегированной системы отсчета для распространения света, но утверждают, что свет излучается со скоростью "c" относительно своего источника, а не основываются на постулате инвариантности. Таким образом, теория излучателей объединяет электродинамику и механику с простой ньютоновской теорией. Хотя сторонники этой теории всё ещё существуют за пределами научного сообщества, большинство учёных считают её окончательно опровергнутой.

История

Наиболее часто с теорией эмиссии ассоциируется имя Исаака Ньютона. В своей корпускулярной теории Ньютон представлял световые "корпускулы", выбрасываемые из горячих тел с номинальной скоростью c относительно излучающего объекта и подчиняющиеся обычным законам ньютоновской механики. Следовательно, мы ожидаем, что свет будет двигаться к нам со скоростью, зависящей от скорости удаленного излучателя (c ± v). В 20-м веке Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности для разрешения кажущегося конфликта между электродинамикой и принципом относительности. Геометрическая простота теории оказалась убедительной, и к 1911 году большинство ученых приняли теорию относительности. Однако некоторые ученые отвергли второй основной постулат относительности: постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета. В результате были предложены различные типы теорий излучения, в которых скорость света зависит от скорости источника, а преобразование Галилея используется вместо преобразования Лоренца. Все они могут объяснить отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли, поскольку скорость света постоянна относительно интерферометра во всех системах отсчета. Некоторые из этих теорий: Свет сохраняет на протяжении всего пути компоненту скорости, которую он получил от своего первоначального движущегося источника, и после отражения распространяется в сферической форме вокруг центра, движущегося с той же скоростью, что и первоначальный источник (предложена Уолтером Ритцем в 1908 году). Эта модель считалась наиболее полной теорией эмиссии. (Фактически, Риц моделировал электродинамику Максвелла-Лоренца. В более поздней работе Риц отметил, что частицы излучения в его теории должны испытывать взаимодействие с зарядами на своем пути, и, следовательно, волны (генерируемые ими) не будут бесконечно долго сохранять свои первоначальные скорости излучения.) Возбужденная часть отражающего зеркала действует как новый источник света, и отраженный свет имеет ту же скорость c относительно зеркала, что и исходный свет относительно своего источника (предложена Ричардом Чейзом Толманом в 1910 году, хотя он был сторонником специальной теории относительности). Свет, отраженный от зеркала, приобретает компоненту скорости, равную скорости зеркального отражения исходного источника (предложена Оскаром М. Стюартом в 1911 году). Модификация теории Рица-Толмана была предложена Дж. Г. Фоксом (1965). Он утверждал, что необходимо учитывать теорему затухания (то есть регенерацию света в проходящей среде). В воздухе расстояние затухания составит всего 0,2 см, то есть после прохождения этого расстояния скорость света будет постоянной относительно среды, а не исходного источника света. (Однако сам Фокс был сторонником специальной теории относительности.)

The name most often associated with emission theory is Isaac Newton. In his corpuscular theory Newton visualized light "corpuscles" being thrown off from hot bodies at a nominal speed of c with respect to the emitting object, and obeying the usual laws of Newtonian mechanics, and we then expect light to be moving towards us with a speed that is offset by the speed of the distant emitter (c ± v). In the 20th century, special relativity was created by Albert Einstein to solve the apparent conflict between electrodynamics and the principle of relativity. The theory's geometrical simplicity was persuasive, and the majority of scientists accepted relativity by 1911. However, a few scientists rejected the second basic postulate of relativity: the constancy of the speed of light in all inertial frames. So different types of emission theories were proposed where the speed of light depends on the velocity of the source, and the Galilean transformation is used instead of the Lorentz transformation. All of them can explain the negative outcome of the Michelson–Morley experiment, since the speed of light is constant with respect to the interferometer in all frames of reference. Some of those theories were:

Light retains throughout its whole path the component of velocity which it obtained from its original moving source, and after reflection light spreads out in spherical form around a center which moves with the same velocity as the original source. (Proposed by Walter Ritz in 1908). This model was considered to be the most complete emission theory. (Actually, Ritz was modeling Maxwell–Lorentz electrodynamics. In a later paper Ritz said that the emission particles in his theory should suffer interactions with charges along their path and thus waves (produced by them) would not retain their original emission velocities indefinitely.) The excited portion of a reflecting mirror acts as a new source of light and the reflected light has the same velocity c with respect to the mirror as has original light with respect to its source. (Proposed by Richard Chase Tolman in 1910, although he was a supporter of special relativity). Light reflected from a mirror acquires a component of velocity equal to the velocity of the mirror image of the original source (Proposed by Oscar M. Stewart in 1911). A modification of the Ritz–Tolman theory was introduced by J. G. Fox (1965). He argued that the extinction theorem (i. e., the regeneration of light within the traversed medium) must be considered. In air, the extinction distance would be only 0.2 cm, that is, after traversing this distance the speed of light would be constant with respect to the medium, not to the initial light source. (Fox himself was, however, a supporter of special relativity.)

Наземные источники

Такие эксперименты включают в себя эксперимент Саде (1963), который использовал метод измерения времени пролета для измерения разницы в скоростях фотонов, движущихся в противоположных направлениях, образованных в результате аннигиляции позитронов. Другой эксперимент был проведен Alväger et al. (1963), которые сравнили время пролета гамма-лучей от движущихся и покоящихся источников. Оба эксперимента не выявили различий, что согласуется с теорией относительности. Филиппас и Фокс (1964) посчитали, что Саде (1963) и Альвагер (1963) недостаточно учли влияние поглощения. Поэтому они провели эксперимент, используя установку, специально разработанную для учета поглощения. Данные, собранные на разных расстояниях от детектора, подтверждали отсутствие зависимости скорости света от скорости источника и не соответствовали смоделированному поведению, предполагающему c ± v как с учетом, так и без учета поглощения. Продолжая свои предыдущие исследования, Alväger et al. (1964) наблюдали π0-мезоны, распадающиеся на фотоны со скоростью, составляющей 99,9% скорости света. Эксперимент показал, что фотоны не достигли скорости своих источников и продолжали двигаться со скоростью света. Исследование среды, через которую проходили фотоны, показало, что сдвиг из-за поглощения был недостаточен для существенного искажения результата. Также были проведены измерения скорости нейтрино. В качестве источников использовались мезоны, движущиеся почти со скоростью света. Поскольку нейтрино взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия, поглощение не играет роли. Наземные измерения дали верхние пределы.

Интерферометрия

Эффект Сагнака демонстрирует, что один луч на вращающейся платформе проходит меньшее расстояние, чем другой луч, что и создает сдвиг в интерференционной картине. Оригинальный эксперимент Жоржа Сагнака оказался подвержен эффектам затухания, но с тех пор было показано, что эффект Сагнака возникает и в вакууме, где затухание не играет роли. Предсказания версии теории излучения, предложенной Рицем, соответствовали почти всем наземным интерферометрическим тестам, за исключением тех, что касались распространения света в движущихся средах, и Риц не считал трудности, возникающие в экспериментах, таких как эксперимент Физо, непреодолимыми. Однако Толман отметил, что эксперимент Майкельсона — Морли с использованием внеземного источника света мог бы предоставить решающее испытание гипотезе Рица. В 1924 году Рудольф Томашек провел модифицированный эксперимент Майкельсона — Морли, используя звездный свет, а Дейтон Миллер — солнечный свет. Оба эксперимента оказались несовместимы с гипотезой Рица. Бэбкок и Бергман (1964) поместили вращающиеся стеклянные пластины между зеркалами интерферометра с общим путем, установленного в статической конфигурации Сагнака. Если бы стеклянные пластины вели себя как новые источники света, так что общая скорость света, выходящего с их поверхностей, была равна c + v, следовало бы ожидать сдвига в интерференционной картине. Однако такого эффекта не наблюдалось, что вновь подтверждает специальную теорию относительности и демонстрирует независимость скорости света от источника. Этот эксперимент был проведен в вакууме, поэтому эффекты затухания не должны были играть никакой роли. Альберт Абрахам Майкельсон (1913) и Кирино Майорана (1918/9) провели интерферометрические эксперименты с неподвижными источниками и движущимися зеркалами (и наоборот) и показали, что скорость света в воздухе не зависит от источника. Установка Майкельсона была разработана для различения трех возможных взаимодействий движущихся зеркал со светом: (1) «световые корпускулы отражаются как снаряды от эластичной стенки», (2) «зеркальная поверхность действует как новый источник», (3) «скорость света не зависит от скорости источника». Его результаты соответствовали независимости скорости света от источника. Майорана анализировал свет от движущихся источников и зеркал с помощью интерферометра Майкельсона с неравными плечами, который был чрезвычайно чувствителен к изменениям длины волны. Теория излучения утверждает, что доплеровский сдвиг света от движущегося источника представляет собой сдвиг частоты без изменения длины волны. Вместо этого Майорана обнаружил изменения длины волны, несовместимые с теорией излучения. Бекман и Мандикс (1965) повторили эксперименты с движущимися зеркалами Майкельсона (1913) и Майораны (1918) в высоком вакууме, обнаружив, что k меньше 0,09. Хотя созданного вакуума было недостаточно для окончательного исключения затухания в качестве причины их отрицательных результатов, его было достаточно, чтобы сделать затухание маловероятным. Свет от движущегося зеркала проходил через интерферометр Ллойда, часть луча двигалась по прямому пути к фотопленке, а часть отражалась от зеркала Ллойда. Эксперимент сравнивал скорость света, гипотетически движущегося со скоростью c + v от движущихся зеркал, со скоростью отраженного света, гипотетически движущегося со скоростью c от зеркала Ллойда.

The Sagnac effect demonstrates that one beam on a rotating platform covers less distance than the other beam, which creates the shift in the interference pattern. Georges Sagnac's original experiment has been shown to suffer extinction effects, but since then, the Sagnac effect has also been shown to occur in vacuum, where extinction plays no role. The predictions of Ritz's version of emission theory were consistent with almost all terrestrial interferometric tests save those involving the propagation of light in moving media, and Ritz did not consider the difficulties presented by tests such as the Fizeau experiment to be insurmountable. Tolman, however, noted that a Michelson–Morley experiment using an extraterrestrial light source could provide a decisive test of the Ritz hypothesis. In 1924, Rudolf Tomaschek performed a modified Michelson–Morley experiment using starlight, while Dayton Miller used sunlight. Both experiments were inconsistent with the Ritz hypothesis. Babcock and Bergman (1964) placed rotating glass plates between the mirrors of a common path interferometer set up in a static Sagnac configuration. If the glass plates behave as new sources of light so that the total speed of light emerging from their surfaces is c + v, a shift in the interference pattern would be expected. However, there was no such effect which again confirms special relativity, and which again demonstrates the source independence of light speed. This experiment was executed in vacuum, thus extinction effects should play no role. Albert Abraham Michelson (1913) and Quirino Majorana (1918/9) conducted interferometer experiments with resting sources and moving mirrors (and vice versa), and showed that there is no source dependence of light speed in air. Michelson's arrangement was designed to distinguish between three possible interactions of moving mirrors with light: (1) "the light corpuscles are reflected as projectiles from an elastic wall", (2) "the mirror surface acts as a new source", (3) "the velocity of light is independent of the velocity of the source". His results were consistent with source independence of light speed. Majorana analyzed the light from moving sources and mirrors using an unequal arm Michelson interferometer that was extremely sensitive to wavelength changes. Emission theory asserts that Doppler shifting of light from a moving source represents a frequency shift with no shift in wavelength. Instead, Majorana detected wavelength changes inconsistent with emission theory. Beckmann and Mandics (1965) repeated the Michelson (1913) and Majorana (1918) moving mirror experiments in high vacuum, finding k to be less than 0.09. Although the vacuum employed was insufficient to definitively rule out extinction as the reason for their negative results, it was sufficient to make extinction highly unlikely. Light from the moving mirror passed through a Lloyd interferometer, part of the beam traveling a direct path to the photographic film, part reflecting off the Lloyd mirror. The experiment compared the speed of light hypothetically traveling at c + v from the moving mirrors, versus reflected light hypothetically traveling at c from the Lloyd mirror.

Другие опровержения

Теории излучения используют преобразование Галилея, согласно которому координаты времени инвариантны при переходе между системами отсчета ("абсолютное время"). Таким образом, эксперимент Айвса — Стилвелла, подтверждающий релятивистское замедление времени, также опровергает теорию излучения света. Как показал Говард Перси Робертсон, полное преобразование Лоренца может быть выведено, если эксперимент Айвса — Стилвелла рассматривать совместно с экспериментом Майкельсона — Морли и экспериментом Кеннеди — Торндайка. Более того, квантовая электродинамика помещает распространение света в принципиально иной, но всё ещё релятивистский контекст, который полностью несовместим с любой теорией, постулирующей скорость света, зависящую от скорости источника.