Что такое свет? Теоретический базис теории относительности и всей современной физики
Автор предлагает в этой главе окончательно разобраться с вопросом: «Что такое свет?». Ну а прежде всего, познакомимся с определением данного термина из Википедии. «Свет в физической оптике — электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380−400 нм (750−790 ТГц), а в качестве длинноволновой границы — участок 760−780 нм (385−395 ТГц). В широком смысле, используемом вне физической оптики, светом часто называют любое оптическое излучение, то есть такое электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне с приблизительными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра. В этом случае в понятие «свет» помимо видимого излучения включаются как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучения. Также, особенно в теоретической физике, термин свет может иногда выступать просто синонимом термина электромагнитное излучение, независимо от его частоты, особенно когда конкретизация не важна, а хотят, например, использовать более короткое слово. Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой — постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определенной энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя). Свет на границе между средами испытывает преломление и/или отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается и рассеивается веществом. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления есть скалярная функция (в общем случае — от времени и координаты). В анизотропных средах он представляется в виде тензора. Зависимость показателя преломления от длины волны света — оптическая дисперсия — приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью, благодаря чему возможно разложение немонохроматического света (например, белого) в спектр. Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 от скорости света в вакууме. Снижение скорости света при прохождении вещества, как полагают, происходит не от фактического замедления фотонов, а от их поглощения и переизлучения частицами вещества.
Свет создается во многих физических процессах, в которых участвуют заряженные частицы. Наиболее важным является тепловое излучение, имеющее непрерывный спектр с максимумом, положение которого определяется температурой источника. В частности, излучение Солнца близко к тепловому излучению абсолютно черного тела, нагретого до примерно 6000 К, причем около 40 % солнечного излучения лежит в видимом диапазоне, а максимум распределения мощности по спектру находится вблизи 550 нм (зеленый цвет). Другие процессы, являющиеся источниками света: — переходы в электронных оболочках атомов и молекул с одного уровня на другой (эти процессы дают линейчатый спектр и включают в себя как спонтанное излучение — в газоразрядных лампах, светодиодах и т. п. — так и вынужденное излучение в лазерах); — процессы, связанные с ускорением и торможением заряженных частиц (синхротронное излучение, циклотронное излучение, тормозное излучение); — черенковское излучение при движении заряженной частицы со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде; — различные виды люминесценции (сонолюминесценция, триболюминесценция, хемилюминесценция, электролюминесценция, катодолюминесценция, флюоресценция и фосфоресценция, сцинтилляция)». Кроме того в нашей Вселенной наблюдается «Реликтовое излучение» (лат. relictum — остаток), космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение — равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода. Обладает высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно черного тела с температурой 2,72548 ± 0,00057 К. Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Георгием Гамовым в 1948 году в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать эффективную температуру реликтового излучения, остались неизменны. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва. Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути — явление, которое не может быть выведено из уравнений Максвелла, но может быть легко объяснено в корпускулярной теории, когда фотоны соударяются с преградой и передают свой импульс. Давление света равно мощности светового пучка, деленной на скорость света.
Начиная с XVII века, научные споры о природе света шли между сторонниками волновой и корпускулярной теорий. Основателем волновой теории можно считать Рене Декарта, который рассматривал свет как возмущения в мировой субстанции — пленуме. Волновую теорию света разрабатывали Роберт Гук, предположивший и то, что свет является поперечной волной, и Христиан Гюйгенс, давший правильную теорию отражения и преломления света исходя из его волновой природы. По мнению Гюйгенса, световые волны распространяются в особой среде — эфире. Несколько раньше Гримальди открыл интерференцию и дифракцию света, объясняя их с помощью идеи волн, хотя в не слишком ясном и чистом виде, также предположив и связь цвета с волновыми свойствами света. Корпускулярную теорию сформулировал Пьер Гассенди и поддержал Исаак Ньютон. В начале XIX века опыты Томаса Юнга с дифракцией дали убедительные свидетельства в пользу волновой теории. Юнг высказал предположение, что разные цвета соответствуют различным длинам волны. В то же время опыты Малюса и Био с поляризацией дали, как казалось тогда, убедительные свидетельства в пользу корпускулярной теории и против волновой теории. Но в 1815 году Ампер сообщил Френелю, что поляризацию света можно объяснить и с волновой точки зрения, если предположить, что свет представляет собой поперечные волны. Поперечной называется волна, при распространении которой частицы среды совершают колебания перпендикулярно направления распространения волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в заметке для Академии наук Огюстен Френель. После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован как электромагнитные волны. Победа волновой теории пошатнулась в конце XIX века, когда опыты Майкельсона-Морли не обнаружили эфира. Волны нуждаются в существовании среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности. Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно черного тела со своим излучением Максом Планком привело к появлению идеи об излучении света порциями — световыми квантами, которые получили название фотонов. Анализ явления фотоэффекта Эйнштейном показал, что поглощение световой энергии тоже происходит квантами. С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен обладать одновременно волновыми свойствами, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярными свойствами, чем объясняется его поглощение и излучение.
Согласно авторскому мировоззрению, свет представляет собой поперечную волну в среде эфира («предматерии»), материальными носителями которого являются «нейтринные матрешки» (группа нейтрино, в количестве от 2 до 920 штук, вращающихся вокруг общего центра масс), а «одиночное нейтрино» – это позитрон–электронная пара, вращающаяся вокруг своего центра масс. Подобная концепция легко объясняет, как волновые свойства света, так и «световое давление». А заодно и гравитацию, если учесть, что в нашем мире «силы действия» (в данном случае — силы притяжения разно заряженных частиц) всегда больше «сил противодействия» (сил отталкивания одинаково заряженных частиц). В противном случае, было бы невозможно протекание в нашем мире любых процессов, и «время бы остановилось». «Главная же фишка» такого теоретического подхода заключается в том, что эффекты после «лобового удара» между двумя одиночными нейтрино зависят от того, какие составные частицы нейтрино участвуют в таком соударении (разно или одинаково заряженные). Давайте рассмотрим оба возможных случая. При соударении одинаково заряженных частиц, удара, как такового, не происходит (по мере сближения частиц, сила отталкивания между ними резко возрастает, они обмениваются импульсами своего движения и разлетаются в разные стороны). При этом они обмениваются друг с другом своими противоположно заряженными спутницами (те даже не замечают, что произошло «лобовое столкновение», и продолжают свой путь с новым «спутником»). И никакого возмущения в «эфире» не происходит. Совсем иначе происходит соударение между разно заряженными частицами. По мере сближения таких частиц, сила притяжения между ними резко возрастает, и ее хватает не только на обмен импульсами движения соударяющихся частиц, но и на обмен их зарядами. Другими словами, после такого «удара» позитрон превращается в электрон, а электрон – в позитрон. А их спутницы продолжают свое движение в прежнем направлении, но с новым спутником. Процесс обмена зарядами после «лобового соударения» автор назвал «передачей импульса заряда», и этот процесс уже вызывает возмущение в эфире (при соударениях с соседними «нейтринными матрешками» происходит не только передача «импульса движения», но и полученного «нейтринной матрешкой» эфира «импульса передачи заряда»). Именно этот процесс человеческий глаз и фиксирует, как появление света. К слову сказать, «реликтовое излучение» в нашей Вселенной характеризует не «отголоски Большого взрыва», а «лобовые столкновения» разно заряженных частиц «нейтринных матрешек эфира» друг с другом (причем, чем дальше от нас расположен источник света, тем раньше произошло это соударение). При попадании же света в прозрачную среду материи, количество таких соударений увеличивается (пропорционально плотности среды материи), ведь происходят соударения не только «нейтринных матрешек эфира» друг с другом, но с «нейтринными матрешками материи». Отсюда и возникает изменение скорости распространения поперечной волны возмущения в среде эфира, и, соответственно, коэффициента преломления.
Короче говоря, свет – это «шум» от лобовых столкновений электронов и позитронов. И если мы видим где-нибудь свет, то там созданы все необходимые условия для протекания процесса соударения электронов с позитронами. И создать подобные условия можно лишь в скоплении материи, иначе говоря, свет – спутник материи. Однако отдельные акты подобных столкновений могут самопроизвольно происходить и в глубоком космосе, где позитронов и электронов намного меньше, чем внутри звездных систем, но они там все равно присутствуют. Что же касается опытов Майкельсона – Морли, то они показали не отсутствие эфира, как такового, а его относительную неподвижность относительно «точки наблюдения». Согласно Википедии, опыт Майкельсона — Морли является экспериментальной попыткой обнаружить существование светоносного эфира, гипотетической среды, заполняющей пространство, которая считалась носителем световых волн. Эксперимент был проведен в период с апреля по июль 1887 года американскими физиками Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом У. Морли в Кейсовском университете Западного резерва в Кливленде, штат Огайо, и опубликован в ноябре того же года. В опыте сравнивалась скорость света в перпендикулярных направлениях в попытке обнаружить относительное движение материи через неподвижный светоносный эфир («эфирный ветер»). Результат был отрицательным, поскольку Майкельсон и Морли не обнаружили существенной разницы между скоростью света в направлении движения через предполагаемый эфир и скоростью под прямым углом. Этот результат обычно считается первым веским доказательством против преобладающей в то время теории эфира, а также началом направления исследований, которое в конечном итоге привело к созданию специальной теории относительности, исключающей стационарный эфир. Об этом эксперименте Эйнштейн писал: «Если бы опыт Майкельсона — Морли не поставил нас в серьезное замешательство, никто бы не счел теорию относительности (наполовину) искуплением». Эксперименты типа Майкельсона — Морли повторялись много раз с неуклонно возрастающей чувствительностью. К ним относятся эксперименты с 1902 по 1905 год и серия экспериментов 1920-х годов. В 2009 году, эксперименты с оптическим резонатором подтвердили отсутствие эфирного ветра на уровне 10−17. Вместе с опытами Ивеса — Стилвелла и Кеннеди — Торндайка, эксперименты типа Майкельсона — Морли составляют один из фундаментальных тестов специальной теории относительности. Возникает вопрос: «Почему тогдашние ученые (да и нынешние – тоже) посчитали, что частицы эфира должны быть неподвижны относительно «неподвижного пространства» нашей Вселенной?». Наша Вселенная вращается вокруг ее центра, а вместе с ней вращаются и частицы эфира. Все Галактики вращаются вокруг своей центральной черной дыры, а с ними вращается и находящийся в них эфир. Более того, главными источниками нейтрино (а стало быть, и «нейтринных матрешек») являются звезды, которые тоже вращаются, а вокруг них вращаются их планеты. Ведь именно в звездах происходят термоядерные реакции с образованием великого множества различных элементарных частиц, в том числе, и нейтрино.
Более того, автор настоящего сайта не исключает возможности нахождения внутри каждой звезды – зародышей «белых дыр» (частичками обратной стороны «черной дыры»). Эта «черная дыра» и является нашей Вселенной, если наблюдать ее из пространства «материнской Вселенной», а с ее обратной стороны в нашу Вселенную поступает материя (в виде нейтрино) и пространство из материнской Вселенной. Короче говоря, «все течет, все изменяется», и эфир не является исключением из этого правила. Ведь и материя, и эфир состоят из одних и тех же «нейтринных матрешек», а разница между ними только одна – количественная. Другими словами, на примере материи, мы с Вами наблюдаем как раз тот самый переход количественных изменений в качественные. Если в «нейтринных матрешках эфира» пространственное разделение между разно заряженными частицами еще не произошло, то в «нейтринных матрешках материи» позитроны собрались ближе к центру, а электроны на периферии. А потому, все опыты наподобие «опыта Майкельсона – Морли» показывают лишь одно – изначально неверные предпосылки ученых (то есть, их чисто человеческую глупость), и ничего более. То же самое можно сказать и обо всей современной физике, которая пытается «подогнать» наблюдаемые экспериментальные факты под неверный теоретический базис. И виной тому – присущий человеку природный инстинкт веры в авторитетное мнение (третий инстинкт среди четырех «инстинктов первой очереди» — инстинкт самосохранения, инстинкт продолжения рода, инстинкт веры в авторитетное мнение и социальный или альтруистический инстинкт). Ведь и ученым «не чуждо ничего человеческого». Вот и получается, что прежде, чем «продвигать вперед» физическую науку, человеку необходимо, как следует, разобраться со своей психикой. Иначе, ошибки и заблуждения становятся неизбежными. Как раз этим, прежде всего, и должна заниматься философия – «наука наук». Как видите, уважаемый читатель, даже одна «верная гипотеза» способна перевернуть всю современную физику «с головы на ноги». И не стоит забывать, что разница между «научной гипотезой» и «научной теорией», не ахти, как велика. Согласно Википедии, гипотеза (др.-греч. ὑπόθεσις — «предположение; допущение», от ὑπό — «под; по причине; из-за» и θέσις — «место; положение; тезис») — предположение или догадка, утверждение, которое, в отличие от аксиом, постулатов, требует доказательства. Гипотеза считается научной, если она, в соответствии с научным методом, объясняет факты, охватываемые этой гипотезой; не является логически противоречивой; принципиально опровергаема, то есть, потенциально может быть проверена критическим экспериментом; не противоречит ранее установленным законам и, скорее всего, приложима к более широкому кругу явлений. Также она может определяться как форма развитий знаний, представляющая собою обоснованное предположение, выдвигаемое с целью выяснения свойств и причин исследуемых явлений. Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих ее наблюдений (примеров) и поэтому принимается правдоподобной.
Гипотезу впоследствии или доказывают, превращая ее в установленный факт, или же опровергают (например, указывая контрпример), переводя в разряд ложных утверждений. Недоказанная и неопровергнутая гипотеза называется открытой проблемой (пример: открытые математические проблемы). Ну а теория (греч. θεωρία «рассмотрение, исследование») — упорядоченная и обоснованная система взглядов, суждений, положений, позволяющая адекватно объяснять факты, анализировать процессы, прогнозировать и регулировать их развитие; уровень познания, на котором обобщаются и систематизируются знания о предмете исследования и формулируются понятия, категории, суждения, умозаключения. Представляет собой наиболее глубокое и системное знание о необходимых сторонах, связях исследуемого, его сущности и закономерностях. Знания о закономерностях исследуемого в теории являются логически непротиворечивыми и основанными на каком-либо едином, объединяющем начале — определенной совокупности исходных теоретических или эмпирических принципов. Теория выступает как информационная модель синтетического знания, в границах которой отдельные понятия, гипотезы и законы теряют прежнюю автономность и становятся элементами целостной системы. В теории одни суждения выводятся из других суждений на основе практических подтверждений и/или правил логического вывода. Теории формулируются, разрабатываются и проверяются в соответствии с научным методом. Теории предшествует гипотеза, получившая воспроизводимое подтверждение. Теория или сочетающиеся между собой теории становятся учением (доктриной). Важное свойство теории — способность прогнозировать, на основе которой выполняется ее верификация. Некоторые применяют словосочетания «популярная теория» и «непопулярная теория», правда, кто и как определяет популярность и непопулярность, неизвестно. А теперь возьмите любую ядерную реакцию и четко сосчитайте ее материальный баланс, согласно авторскому мировоззрению, и согласно общепринятых на сегодняшний день взглядов физиков. При этом один «квант света» должен соответствовать одному акту «лобового столкновения» позитрона с электроном. И Вы увидите, что материальный баланс, базирующийся на авторском мировоззрении, выполняется всегда и, безусловно, а материальный баланс современных физиков – только при условии существования процесса аннигиляции (полного превращения массы в энергию при столкновении позитрона и электрона). Однако во втором случае масса нашей Вселенной должна все время сокращаться (превращаться в энергию), а она, наоборот, увеличивается. Ну и какая, по Вашему мнению, гипотеза является доказанной теорией, а какая – нет? Подумайте над этим, уважаемый читатель, и крепко подумайте.
Кстати, автор этого сайта не видит каких-то принципиальных физических ограничений, попасть в любую дочернюю Вселенную (в «черную дыру» нашей Вселенной), причем, без распада материи нашего мира на составные части – одиночные нейтрино, как это происходит с ней, когда материя самостоятельно пересекает радиус Шварцшильда из-за воздействия сил гравитации. Этот радиус определяется расстоянием, на котором находится «горизонт событий» той или иной «черной дыры». Для попадания в «дочернюю Вселенную» необходимо направить космический корабль точно по оси вращения «черной дыры», и, в конце концов (и довольно быстро), он появится (без каких-либо особых изменений) внутри «белой дыры» другого мира (оси его вращения), а затем и в сам этот мир. Кстати, если Вы внимательно посмотрите на картинки «реликтового излучения» нашей Вселенной, то без труда различите на них ось ее вращения. Однако вернуться обратно Вы уже не сможете, так что экспериментально проверить, так ли это на самом деле, у нас с Вами не получится. И данному предположению суждено навсегда остаться лишь «научной гипотезой». По величине гравитационный радиус совпадает с радиусом сферически-симметричного тела, для которого в классической механике вторая космическая скорость на поверхности была бы равна скорости света. Данный факт не случаен, он является следствием того, что классическая механика и ньютоновская теория тяготения содержатся в общей теории относительности как ее предельный случай. На важность этой величины впервые обратил внимание Джон Мичелл в своем письме к Генри Кавендишу, опубликованном в 1784 году. В рамках общей теории относительности гравитационный радиус (в других координатах) впервые вычислил в 1916 году Карл Шварцшильд. Гравитационный радиус обычных астрофизических объектов ничтожно мал по сравнению с их действительным размером: так, для Земли rg ≈ 0,887 см, для Солнца rg ≈ 2,95 км. Исключение составляют нейтронные звезды и гипотетические бозонные и кварковые звезды. Например, для типичной нейтронной звезды радиус Шварцшильда составляет около 1/3 от ее собственного радиуса. Это обусловливает важность эффектов общей теории относительности при изучении таких объектов. Гравитационный радиус объекта с массой наблюдаемой Вселенной был бы равен примерно 10 миллиардам световых лет. С достаточно массивными звездами (как показывает расчет, с массой больше двух-трех солнечных масс) в конце их эволюции может происходить процесс, называемый релятивистским гравитационным коллапсом: если, исчерпав ядерное «горючее», звезда не взрывается и не теряет массу, то, испытывая релятивистский гравитационный коллапс, она может сжаться до размеров гравитационного радиуса. При гравитационном коллапсе звезды до сферы Rg наружу не может выходить никакое излучение, никакие частицы. С точки зрения внешнего наблюдателя, находящегося далеко от звезды, с приближением размеров звезды к Rg собственное время частиц звезды неограниченно замедляет темп своего течения. Поэтому для такого наблюдателя радиус коллапсирующей звезды приближается к гравитационному радиусу асимптотически, никогда не становясь равным ему. Но можно, однако, указать момент, начиная с которого внешний наблюдатель уже не будет видеть звезду и не сможет узнать какую-либо информацию относительно нее. Так что с этого момента вся информация, содержащаяся в звезде, фактически будет потеряна для внешнего наблюдателя.
Физическое тело, испытавшее гравитационный коллапс и достигшее гравитационного радиуса, называется черной дырой. Сфера радиуса rg совпадает с горизонтом событий не вращающейся черной дыры. Для вращающейся черной дыры горизонт событий имеет форму эллипсоида, и гравитационный радиус дает оценку его размеров. Радиус Шварцшильда для сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики равен примерно 16 миллионам километров. Шварцшильдовский радиус объекта, имеющего спутники, во многих случаях может быть измерен с гораздо более высокой точностью, чем масса этого объекта. Этот несколько парадоксальный факт связан с тем, что при переходе от измеренного периода обращения спутника T и большой полуоси его орбиты (a эти величины можно измерить с очень высокой точностью) к массе центрального тела M, необходимо разделить гравитационный параметр объекта μ = GM = 4π2a3/T2 на гравитационную постоянную G, которая известна с гораздо меньшей точностью, чем точность большинства других фундаментальных констант. В то же время шварцшильдовский радиус равен, с точностью до коэффициента 2/с2, гравитационному параметру объекта: rg = 2GM/c2 = 2μ/c2, причем скорость света в настоящее время является по определению абсолютно точным переходным коэффициентом, поэтому относительные погрешности измерения гравитационного параметра и гравитационного радиуса равны друг другу. Это Вам, уважаемый читатель, «самостоятельно подумать на закуску».