Эффект доплера

Известно, что объяснение смещения спектральных линий в современной физике базируется на эффекте Доплера, который явно проявляется и легко регистрируется при распространении звуковых волн.

Новая теория микромира доказывает существование не электромагнитных, а фотонных волн, поэтому мы сразу убираем понятие электромагнитное излучение, как не отражающее реальность, и заменяем его понятием фотонное излучение. Фотонная волна (рис. 1) формируется совокупностью фотонов, которую можно назвать импульсом фотонов. Расстояние между импульсами модулированной волны равно длине фотонной волны.

Рис. 1. Схема фотонной волны длиною

Каждый же фотон (фотоны – шарики в фотонной волне), формирующий такую волну, ведет себя иначе [1]. Чтобы яснее понять эти различия, введем понятия: волновой эффект Доплера и фотонный эффект Доплера. Первый возникает при движении волн фотонов (рис. 1), а второй – единичных фотонов (рис. 2). Смещение спектральных линий атомов – следствие фотонного эффекта Доплера, а не волнового. Но это до сих пор не учитывалось при анализе эффекта Доплера.

2. 
   Релятивистская интерпретация фотонного эффекта Доплера
   

Релятивистская интерпретация и электромагнитного, и фотонного излучений базируется на втором постулате А. Эйнштейна: «Каждый луч света движется в покоящейся системе координат с определенной скоростью независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом». Из этой формулировки постулата следуют преобразования Лоренца (1) и (2). На рис. 3 видно, что и . Подставляя эти значения в преобразования (1) или (2) Лоренца

Рис. 3. Схема к анализу преобразований Лоренца

или

Обозначая , имеем

Если соотношение (5) записать так

Зададимся несколькими значениями и определим для них величины и (табл. 1). Этот результат (табл. 1) показывает однозначно, что с увеличением скорости движения подвижной системы отсчета (звезды, например) частота излучаемого фотона, растет, а это значит, что увеличивается ультрафиолетовое смещение спектральных линий.

Таблица 1. Релятивистский результат расчета фотонного эффекта Доплера

	(5)	(6)
0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1	1,0000009 1,0000099 1,0000999 1,0010004 1,0100504 1,10554	0,9999989 0,9999899 0,9998999 0,9990004 0,9900494 0,904534

Физический смысл, заложенный в математических символах и , лишает нас права давать другую интерпретацию математическим моделям (4), (5) и (6). В табл. 1 величина (6) характеризует не инфракрасное смещение спектральных линий, а отношение частоты фотона, излученного покоящимся источником к частоте фотона, излученного движущимся источником. Ещё раз прошу внимательнее отнестись к результатам этого анализа и понять, что математическая модель (5), следующая из преобразований Лоренца (1) и (2), описывает только, только, только, ультрафиолетовое смещение спектров. Мы не имеем никакого права приводить соотношение (5) к виду (6). Кто не поймёт этого, тому нет смысла читать дальше.

Таким образом, мы получили однозначный ответ: релятивистские математические модели (5) и (6) описывают только ультрафиолетовое смещение спектров атомов и поэтому не имеют никакого отношения к их инфракрасному смещению.

Преобразования Лоренца (1) и (2) используются в науке для расчета так называемых релятивистских эффектов около ста лет. И вот мы узнаем, что они позволяют рассчитывать релятивистские эффекты только для ультрафиолетового смещения спектров атомов и не дают информации о релятивистских эффектах при инфракрасном смещении таких спектров. Это означает, что данный факт является дополнительным доказательством того, что преобразования Лоренца искажают реальность.

3. Классическая интерпретация фотонного эффекта Доплера
Из анализа кинематики движения модели фотона (рис. 2) следует, что увеличение его скорости от любого начального значения до величины всегда происходит с ускорением, которое генерируется процессом взаимодействия между его магнитными полями. Поэтому нам необходимо получить математические модели, описывающие в первом приближении процесс старта фотона с покоящегося и движущегося источника, в результате которого смещаются спектры атомов [1].

Анализ процесса рождения фотона, проведенный нами, показал, что это – переходный процесс, в течение которого фотон движется с ускорением [1]. Из этого следует, что длительность переходного процесса зависит от направления движения источника излучения и рождающегося фотона. Чем дольше будет длиться процесс рождения фотона, который мы называем переходным процессом, тем больше фотон отдаст своей массы (энергии) электрону и длина волны такого фотона сместиться в инфракрасную область. Поэтому надо найти ответ на фундаментальный вопрос: влияет ли скорость источника излучения относительно пространства на длительность переходного процесса, то есть процесса рождения фотона? Если влияет, то длительность переходного процесса должна зависеть от направления старта фотона по отношению к направлению движения источника излучения.

Поскольку переходный процесс проходит фактически в электромагнитном поле электрона источника излучения, то есть основания полагать, что в течение этого переходного процесса масса, а значит энергия и длина волны фотона, могут изменяться.

Это дает нам основание уточнить формулировку второго постулата А. Эйнштейна и сформулировать его следующим образом: скорость фотонов, излученных покоящимся или движущимся источником, постоянна относительно пространства и не зависит от направления движения источника и его скорости.

Таким образом, скорость фотонов постоянна относительно пространства. Рождение фотона – переходный процесс, в течение которого он, двигаясь с ускорением , достигает скорости относительно пространства и движется дальше с этой скоростью [1]. Из изложенного следует, что длительность процесса рождения фотона зависит от направления его скорости и скорости источника [1].

Если источник покоится () относительно пространства, то процесс рождения фотона запишется так (рис. 4, а)

Из (7) имеем

Рис. 4. Схема сложения скоростей источника и фотона :

Е – наблюдатель, S – источник
Анализ процесса рождения фотона показал, что этот процесс протекает в интервале длины волны, поэтому, когда источник покоится (), то частота излученного фотона будет равна

.
Когда направления движения источника и рождающегося фотона совпадают (рис. 4, b), то

. (9)
Подставляя ускорение из (8), найдем

. (10)

Из математической модели (10) вытекает важное следствие: если направления движения источника излучения и рождающегося фотона совпадают (рис. 10, b), то с увеличением скорости движения источника время переходного процесса уменьшается.

Переходя к частотам излученного фотона, имеем

. (11)

Поскольку , то

Если направления движущегося источника и рождающегося фотона противоположны (рис. 4, с), то частота излученного фотона уменьшается и должно наблюдаться инфракрасное смещение спектров.

Самый главный вывод из анализа классических математических моделей (11) и (15) – независимость смещения спектров атомов от направления и скорости движения приёмника.

Учитывая, что , найдём

. (16)
А теперь сведем результаты расчетов по формулам (12) и (16) в таблицу 2.
Таблица 2. Результаты расчета классической интерпретации эффекта Доплера

	(12)	(16)
0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1	1,000001 1,000010 1,000100 1,001000 1,010000 1,100000	0,999999 0,999990 0,999900 0,999000 0,990000 0,900000

Анализ табл. 2 показывает, что классическая математическая модель (12) описывает ультрафиолетовое смещение спектров (), а классическая математическая модель (16) – инфракрасное ().

Теперь у нас появилась возможность объяснить фотонный эффект Доплера, регистрируемый при излучении фотонов, разной длительностью переходного процесса рождения фотона.

Процесс отделения фотона от электрона атома не мгновенный. В течение некоторой длительности между ними сохраняется связь. От длительности сохранения этой связи и зависит масса, а значит энергия и длина волны фотона, с которой он излучается, отделившись от электрона. Из соотношения (10) видно, что если , то . Это значит, что старт фотона по направлению движения источника, движущегося относительно пространства со скоростью , невозможен (рис. 4, b). В этом случае фотон не будет излучён электроном.

Когда фотон стартует по направлению, противоположному движению источника (см. рис. 4, с), то длительность переходного процесса, как это видно из соотношения (14), увеличивается и у нас есть основание полагать, что фотон в этом случае, в процессе потери связи с электроном, передаст ему больше своей электромагнитной массы и придет к приемнику с длиной волны и частотой, смещенными в инфракрасную область.

Аналогичное явление происходит при запуске космических ракет. Если ракета стартует на Восток, то ее скорость совпадает с направлением вращения Земли и ей потребуется меньше времени и меньше топлива для выхода в космос по сравнению со стартом в западном направлении.

При совпадении направления скоростей источника и фотона длительность переходного процесса (10) меньше, а при несовпадении больше (14), чем при покоящемся источнике излучения фотонов. В первом случае (рис. 4, b) фотон при рождении потеряет меньше энергии (массы) и придет к нам с длиной волны, смещенной в ультрафиолетовую область, а во втором (рис. 4, с) потеряет больше массы и придет к приемнику с большей длиной волны, смещенной в инфракрасную область.

Таким образом, электрон атома источника излучения своим полем будет стремиться удержать фотон магнитными силовыми линиями, через которые и потечет масса электромагнитного поля (точнее, само поле) фотона к электрону атома источника излучения. Чем медленнее фотон будет удаляться, тем больше потеряет массы. Указанный процесс передачи энергии присущ, по-видимому, и другим частицам. Поскольку в таком процессе «масса» (эфирная субстанция) как бы перекачивается из одной частицы в другую, не имея возможности оформиться в фотон энергии (рис. 2), то эта часть энергии и не регистрируется в эксперименте.

Выявленная корпускулярная природа фотона дает все основания возвратиться к баллистической гипотезе, основанной на представлениях И. Ньютона о свете, как о потоке материальных корпускул. Однако эта гипотеза приобретает существенное ограничение. Вот его сущность.

Если неподвижную систему отсчета связать с космическим вакуумом и рассматривать в этой системе движение источника, излучающего фотоны, то независимо от направления движения и скорости источника излучения скорость излучаемых фотонов относительно выбранной таким образом системы отсчета всегда будет одна и та же и равна . Такой результат обусловлен тем, что постоянство скорости движения фотона генерируется электромагнитными (или магнитными) процессами, протекающими в его электромагнитной структуре (рис. 2).

Образно сущность процесса излучения фотона можно сравнить с выстрелами из пушки таких снарядов, которые независимо от начальной скорости вылета из ствола орудия сами бы потом набирали одну и ту же скорость относительно неподвижной системы отсчета, связанной с пространством. Отсюда вытекает и особенность фотонной баллистической гипотезы - отсутствие явления галилеевского сложения скоростей источника и излучаемого фотона. После же излучения фотон сам набирает всегда одну и ту же постоянную скорость относительно пространства, равную . Однако галилеевское сложение скоростей полностью сохраняется при встрече фотона с приемником, но на энергетическое состояние самого фотона это не влияет.

Конечно, формулы (12) и (16) являются чисто кинематическими, поэтому они приближенно отражают электродинамический процесс излучения фотонов. Поскольку электродинамика процесса излучения фотонов ещё не разработана, то воспользуемся математическими моделями, описывающими энергетические показатели фотонов. Детали процесса их излучения в этом случае также остаются скрытыми, но основной показатель – частота излученного фотона рассчитывается точнее, чем при использовании кинематических математических моделей (12) и (16).

Мы уже показали, что полная энергия фотона равна сумме энергий его поступательного и вращательного движений , а также, что эта сумма зависит от величины скорости и направления движения источника излучения.

Если угол между направлением вектора скорости движения источника и направлением вектора скорости излучаемого фотона (рис. 5) равен , то полная энергия излученного фотона запишется так [1], [2].
(17)
Учитывая, что и обозначая , после преобразований уравнения (17), найдем

(18)

Рис. 5. Схема сложения скоростей источника и фотона
Если направления движения источника и излучаемого фотона совпадают, то и

(19)
Когда направления движения источника и излучаемого фотона противоположны, то и

(20)
В табл. 3 представлены результаты расчета по классическим математическим моделям (12), (16), (19) и (20), которые описывают инфракрасное и ультрафиолетовое смещение спектров. Как видно, формулы (19) и (20) дают более точный результат.

Таблица 3. Результаты расчета фотонного эффекта Доплера

	(12)	(16)	(19)	(20)
0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,10	1,000001 1,000010 1,000100 1,001000 1,010000 1,100000	0,999999 0,999990 0,999900 0,999000 0,990000 0,900000	1,0000010 1,0000100 1,0001000 1,0010000 1,0100500 1,1050000	0,9999990 0,9999900 0,9999000 0,9990005 0,9900500 0,9050000

Классическим экспериментальным фактом, подтверждающим справедливость математических моделей (19) и (20), являются результаты одновременной регистрации обычных спектральных линий атома водорода, получаемых с космического объекта SS433 и спектральных линий, смещенных в ультрафиолетовую и инфракрасную области спектра. Это указывает на то, что основная часть космического объекта SS433 покоится относительно пространства, а две другие части движутся относительно пространства. Причем, та часть, которая генерирует ультрафиолетовое смещение, движется в направлении Земли, а та, которая генерирует в тот же момент времени инфракрасное смещение, движется по направлению от Земли. Зафиксирована и периодичность изменения величин этих смещений.

Итак, процесс старта фотона не влияет на его конечную скорость относительно пространства, а его длительность (10), (14) зависит от направления движения источника излучения и фотона относительно пространства.

Приведенный анализ фотонного эффекта Доплера с учетом модели фотона (рис. 2) показывает независимость любого смещения спектральных линий от направления движения и скорости приемника излучений, так как в любом случае фотон поглощается электроном приёмника в целом виде с характеристиками, которые он получил при рождении.

Величина и направление смещения (в инфракрасную или ультрафиолетовую область спектра) зависят только от направления движения источника излучений и самого излучения. Если эти направления совпадают, то должно наблюдаться только ультрафиолетовое смещение спектральных линий, а если - противоположны, то - только инфракрасное. Такая закономерность показывает, что наличие инфракрасного смещения спектральных линий недостаточно для однозначного заключения о расширении Вселенной.

Поскольку Земля движется относительно пространства, то это обязательно надо учитывать при анализе связи смещения спектральных линий с расширением Вселенной (рис. 6).

Например, если векторы скоростей Земли и звезды направлены вдоль одной линии в одну и ту же сторону, то величина смещения спектральной линии укажет на факт движения звезды относительно пространства, но не относительно Земли (рис. 6).

AB – радиальное направление расширения Вселенной;

D, S – звезды, расположенные на радиальном

направлении расширения Вселенной; Е - Земля

Если же звезда D движется вслед за Землей E со скоростью большей, чем Земля, то и в этом случае небесные тела также будут сближаться, но время старта (10) фотона со звезды D в направлении к Земле будет меньше, чем при и мы зафиксируем ультрафиолетовое смещение (19). Таким образом, в обоих рассмотренных случаях звезда и Земля сближались, а смещения спектральных линий были противоположны.

Да и вообще, разве может влиять движение звезды относительно Земли на смещение спектральных линий? Нет, конечно. Этим процессом управляет скорость звезды не относительно каких-то там планет или галактик, а относительно единого для всех звезд, планет и галактик - относительно пространства.

Важным результатом анализа спектров источника SS433 является тот факт, что ультрафиолетовое смещение спектральных линий в 20 и более раз слабее инфракрасного при равных скоростях движения. Видимо, поэтому астрофизики фиксируют в основном инфракрасное смещение спектральных линий у большинства звезд и на основании этого делают вывод о расширении Вселенной. Однако наличие ультрафиолетового смещения спектров атомов у некоторых звезд указывает на то, что инфракрасное смещение спектральных линий - недостаточное условие для однозначного вывода о расширении Вселенной. Этот вывод будет однозначным только при одновременном учёте и инфракрасного, и ультрафиолетового смещений спектров атомов.

Чтобы сделать однозначный вывод о расширении Вселенной, необходимо зафиксировать смещение спектров с противоположных направлений поверхности Земли (рис. 6).

Если в обоих направлениях будет зафиксировано инфракрасное смещение (например, от источников S и D, рис. 6), то процесс расширения Вселенной можно признать заслуживающим внимания. Если же такая закономерность не подтвердится, то вывод о расширении Вселенной нельзя признать однозначным.

Конечно, у нас нет достаточных данных для однозначного отождествления красного смещения с расширением Вселенной, так как фотон может терять массу и увеличивать длину своей волны по нескольким причинам. Например, в результате взаимодействия с молекулами водорода в космосе. Обусловлено это тем, что размер светового фотона, примерно, на 2 порядка (100 раз) больше размера молекулы, поэтому он не отражается от неё, а пропускает её через себя, теряя при этом часть своей магнитной субстанции, которая, теряя плотность, превращается в эфир. Длина волны фотона, потерявшего часть своей массы, увеличивается, поэтому спектральная линия, формируемая такими фотонами, смещается в инфракрасную область.
Краткое обобщение
Ультрафиолетовое и инфракрасное смещения спектров атомов описывают классические математические модели (12), (16), (19) и (20), следующие из классической формулировки второго постулата А. Эйнштейна. Они будут давать более точные результаты после установления связи их с математической моделью формирования спектров атомов и ионов.

Волновой эффект Доплера (рис. 1) зависит от направления движения и скорости источника и приемника такой волны.

Фотонный эффект Доплера (рис. 2, 20) зависит от направления и скорости источника фотонов и не зависит от направления движения и скорости приёмника фотонов.

Современный вывод о расширении Вселенной на основании анализа только инфракрасного смещения спектров нельзя признать однозначным.

Мы рассмотрели самые простые случаи фотонного эффекта Доплера, когда источник излучения единичных фотонов движется в направлении приёмника или от него. Остались нерассмотренными случаи взаимодействия единичных фотонов с приёмником. Однако структура модели фотона (рис. 2) указывает на то, что её параметры не зависят от скорости и направления движения приёмника единичных фотонов.

Если же рассматривать процесс отражения фотонной волны (рис. 1), то скорость и направление движения отражателя будут генерировать такой же эффект Доплера, как и скорость и направление движения их источника.

Единичные же фотоны, формирующие фотонную волну, при встрече с отражателем будут вести себя иначе, так как отражатель выполняет две функции: функцию приемника единичных фотонов и функцию их отражения. В этом случае смещением спектральных линий фотонов может управлять эффект Комптона. Поэтому анализ процесса изменения параметров единичных фотонов при взаимодействии с движущимся отражателем надо вести с учетом эффекта Комптона.

Самое главное следствие нового анализа эффекта Доплера – галилеевское сложение скоростей фотонов (рис. 2) и их приемников. Скорость и направление движения приёмника влияет на волновой эффект Доплера (рис. 4) и не влияет на фотонный эффект Доплера.

Константа локализации фотона и эффект Комптона дают возможность сделать заключение о состоянии Вселенной. Согласно эффекту Комптона, родившийся фотон может только увеличивать длину волны или радиус своего вращения, теряя при этом массу . Наличие во Вселенной одновременного смещения спектральных линий в инфракрасную и ультрафиолетовую области указывает на то, что фотоны, формирующие такие смещения, рождаются на движущихся источниках. Видимо, эти смещения были бы примерно одинаковые, если бы не существовало эффекта Комптона, и тогда следовал бы однозначный вывод о стационарности Вселенной. Увеличение сдвига спектральных линий в инфракрасную область может быть обусловлено эффектом Комптона или расширением Вселенной. Из этого следует, что окончательный вывод о расширении Вселенной делать ещё рано.
Литература
1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. 12-е издание. Том I. Краснодар 2009. 687 с. http://kubsau.ru/science/prof.php?kanarev  

2. L. B. Boldyreva, N.B. Sotina. The Possibility of Developing a Theory of Light Without Special Relativity. “Galilean Electrodynamics”. Volume13, Number 6. Pag. 103-107.