Обнаружение влияния движения земли на аберрацию электромагнитных волн от геостационарного спутника новая проверка специальной теории относительности

Display of Uniform Earth Motion on Satellite Aberration -new crucial test of special relativity

E.Shtyrkov

Influence of uniform motion of the Earth in the space on aberration of electromagnetic waves propagating from a source installed on a satellite was discovered during tracking of the geostationary satellite. For the first time the parameters of the Earth’s motion were measured on this base without studying a position of stars on the sky. The annual averaged orbital velocity of Earth turned out to be equaled of 29.4km/s. The parameters of galactic motion of Sun system have also been measured and obtained values are 270^o for apex right ascension, 89.5^o for apex declination and 600km/s for velocity of Sun’s system. The results obtained are in close agreement with the data accepted in astronomy. Such results are direct evidence of a fact that velocity of the uniformly moving system (in our case the Earth) can be measured with a device in which the source of radiation (geostationary satellite) and detector (antenna of the Earth telescope) are fixed with respect to each other and the system itself. This fact is foundation for assertion of Special Relativity about light velocity constancy with respect to the observer to be error.

Опыты с распространением электромагнитного излучения исторически наиболее часто являлись ключевыми для установления природы света и вещества. При этом их постановка была тесно связана с введением понятия некой гипотетической материальной среды с упругими свойствами (эфира), которая, как считали, была необходима для распространения света. Поэтому проблемы электродинамики в движущихся системах координат постоянно были в центре внимания в течение более 150 лет, когда безуспешно пытались обнаружить движение Земли относительно этой среды. Предполагалось, что в соответствии с гипотезой Френеля эфир находится в абсолютном покое и поэтому проходит свободно через любое движущееся в нем тело, в том числе и Землю. Как следствие этого должен иметь место эфирный ветер, скорость которого совпадает по величине с орбитальной скоростью Земли, но имеет противоположное направление. Это обстоятельство дало надежду обнаружить такое движение Земли путем измерений скорости света при различной ориентации прибора в пространстве. В результате опытов необходимо было замерить скорость эфирного ветра и сравнить ее со значениями скорости движения Земли, уже известными из астрономических наблюдений за звездами. Такие попытки с использованием различных эффектов неоднократно предпринимались с начала 19 века (1818 Араго, 1838 Бабинэ, 1859 Физо, 1865 Ангстрем,1881 Майкельсон, 1887 Майкельсон и Морли, 1921-1925 Миллер , 1926 Пикар и Стаэль, 1955 Ессен, 1959 Таунс и Цедархольм, а также мн. др.[1]).

Во всех экспериментах с отрицательным результатом, которые проводились на больших высотах, повышение точности обычно достигалось экранировкой всего прибора от внешних воздействий путем помещения его в термостат. Тем самым не принималась во внимание сама возможность увлечения эфира измерительным прибором, то есть не учитывалась возможная экранировка эфирного ветра прибором. В результате эфир в термостате, в резонаторе, в мазере и других контейнерах мог находиться в покое по отношению к интерферометру, что и могло приводить в таких экспериментах к отрицательному результату при любой точности измерения.

После многих таких безуспешных попыток на конференции в Пасадене [4], посвященной эксперименту Майкельсона–Морли, Г.А. Лоренц сказал: “…все попытки использования эффектов первого порядка по отношению скорости Земли к скорости света оказались бесплодными. Сюда относятся все случаи, когда астрономы и физики пытались выделить составляющую движения Земли в оптических и электрических явлениях. …Все это вновь и вновь вело к признанию того, что движение Земли никогда не сможет быть обнаружено с помощью эффектов первого порядка. В этом мнении значительно утвердились, когда Эйнштейн развил свою теорию относительности и просто постулировал, что результаты всех экспериментов, которые мы проводим в наших лабораториях, должны быть независимы от движения Земли, каковы бы ни были точности наших измерений и порядок эффектов, которых мы могли бы достичь “ (в переводе В.А. Ацюковского, см. [1] ).

Однако недавно во время слежения за поведением спутника на геостационарной орбите равномерное движение Земли было экспериментально обнаружено [5-7] без привлечения астрономических наблюдений за звездами. Было доказано, что движение Земли проявляется в аберрации электромагнитных волн (эффект первого порядка), распространяющихся от источника излучения, который фиксирован относительно приемника и самой Земли, что и позволило непосредственно измерить параметры ее движения.

Источник находился на геостационарном спутнике, а приемник в антенне наземного радиотелескопа. В такой ситуации, когда спутник неподвижно “висит” над Землей, относительная скорость источника и приемника равна нулю и их координаты (геоцентрическая долгота и широта спутника, а также геодезические координаты телескопа) остаются постоянными в течение долгого времени, т.е. источник и приемник принадлежат одной и той же системе координат (системе Земли).

При этом был использован спутник Intelsat704 (USSPACECOM Catalog No.23461) с восточной долготой 66^о и малым наклонением орбиты (0.02^о). Суточные регулярные наблюдения в режиме автоматического слежения за этим спутником проводились в Казани (Россия) в разные даты в течение 1997 - 2000 гг. Для сравнения полученных экспериментальных данных с расчетными вычислялись положения спутника в нужные моменты времени при использовании алгоритма, описанного в Intelsat Earth Station Standards (IESS-412) [8]. Процедура расчета и все условия проведения эксперимента подробно описаны в работе [7].

Обычно с целью устранения расхождений между измеряемым и расчетным положениями спутника, которые вызваны, как считают, дрейфом при калибровке и другими эмпирическими аномалиями, изготовители при монтаже телескопа подправляют индикаторы положения антенны и временную шкалу. Поскольку автор [5-7] ожидал, что хотя бы часть этих аномалий может быть вызвана влиянием движения Земли в пространстве, было решено не устранять их подобной коррекцией, а обратиться к явлению аберрации света, которое было открыто Брадлеем еще в 1728 году и в настоящее время широко используется при наблюдениях звезд и планет
Звездная и спутниковая аберрация

Предположив, что излучение от любого источника (не только от астрономических тел) должно испытывать такую аберрацию, автор [5] учитывал возможное влияние этого явления при наблюдении спутников. При учете аберрации наблюдатель (антенна) должен фиксировать не фактическое положение спутника (его геодезическую долготу и широту), которое точно рассчитывается геометрически, а кажущееся. Эти кажущиеся координаты изменяются из-за суточных и годовых изменений углов аберрации, вызванных сложным движением Земли, что и приводит к дополнительному изменению измеряемых наземной станцией углов (азимута и высоты). В результате этого эксперимента наблюдалось практически полное совпадение полученного среднегодового значения скорости эфирного ветра (29,4км/c) с известной из астрономических наблюдений орбитальной скоростью Земли (29,765 км/c). Этого было вполне достаточно для сделанного заключения о том, что движение Земли действительно может оказывать свое влияние на результат эксперимента, выполняемого на ней, а составляющая ее движения при этом может быть выделена в явлении первого порядка по отношению скорости Земли к скорости света. Такой экспериментальный результат противоречит положению специальной теории относительности о том, что все результаты любых экспериментов, проводимых на Земле с использованием различных эффектов, не зависят от движения Земли. Это и может служить основанием для пересмотра утверждения специальной теории относительности о независимости скорости света от движения наблюдателя.

Другое дело- измерение аберрации, обусловленной движением Солнца по орбите вокруг центра нашей Галактики. Здесь также можно было бы выбрать референтную звезду, но кроме этого нужно было бы еще знать точное направление вектора скорости Солнца на конкретную эпоху при его движении по орбите вокруг центра нашей Галактики. К тому же еще понадобилось бы более 100 млн. лет наблюдения, чтобы дождаться смены этого направления на противоположное. Это явно не реально для земного наблюдателя. Тем более не реально, используя наблюдения за звездами, выявить компоненты движения более высокого порядка, например, движение самой Галактики. Все эти приведенные соображения применимы, когда изучаемыми источниками являются именно звезды с их неизвестными истинными положениями.

Однако, как было доказано экспериментально в [5-7] , аберрация может наблюдаться для электромагнитных волн, испускаемых искусственным источником. Принципиальным отличием здесь от звездной аберрации является то, что истинное положение источника, установленного на спутнике Земли, достоверно известно в любой момент времени. Оно точно рассчитывается методами небесной механики, т.е. может служить своеобразным репером. Аберрация же приводит к кажущемуся изменению этого положения, которое и регистрируется телескопом. Это и дает возможность по ней обнаружить абсолютное движение. В случае, когда спутник находится на геостационарной орбите, т.е. “ висит” над установленным на Земле телескопом, линия наблюдения (ось телескопа, нацеленного на спутник) неподвижна относительно Земли. Это позволяет круглосуточно производить непрерывное наблюдение. В то же время ориентация этой линии в абсолютном пространстве изменяется в течение суток. Это означает, что углы для любой из компонент движения Земли изменяются в течение суток, приводя к появлению суточных аберрационных добавок к реальным координатам спутника. Это дает возможность измерить все отдельные компоненты движения Земли.

Математически это описывается при переходе во вращающуюся экваториальную систему координат, которой и является Земля. В этой системе ось наблюдения неподвижна, а вектора всех компонент движения Земли в течение суток описывают конусы вокруг полярной оси. Подробно их поведение во времени и влияние аберрации на координаты спутника описано в [5,7], где все процессы были привязаны к началу тропического года. Проекции этих векторов на линию, перпендикулярную линии наблюдения, в течение суток изменяются, приводя к суточному периодическому кажущемуся изменению геоцентрической долготы спутника. Это и дало возможность по такому изменению долготы определить орбитальную компоненту скорости Земли. Поскольку вектор апекса Солнечной системы за сутки также описывает конус вокруг полярной оси, это приводит из-за этой компоненты аберрации к постоянному смещению геоцентрической широты спутника по сравнению с расчетной. Измерение этих смещений широты и долготы позволило определить проекции вектора апекса на полярную ось и на экваториальную плоскость и по ним найти величину, а также направление вектора галактической компоненты скорости движения Солнечной системы. Вектор апекса Солнца здесь в сумме с орбитальным вектором скорости Земли и представляет собой вектор абсолютного движения Земли.

Динамика поведения кажущегося положения спутника определяется временным поведением аберрационных добавок к его реальной долготе и широте . При этом, как было показано в работах [5,7], для геоцентрического наблюдателя они связаны со скоростью эфирного ветра , вызванного орбитальным движением Земли, скоростью эфирной компоненты из-за абсолютного движения Солнечной системы, склонением и прямым восхождением апекса Солнца соотношениями:

(1),

где - угловая частота вращения Земли, - солнечное местное время на долготе спутника, , , - угол наклона земной оси к оси эклиптики, с- скорость света , - медленно изменяющаяся в течение года фаза орбитального движения Земли, - количество дней от начала нового тропического года (00:00:00 GMT 23 сентября), , дней - длительность тропического года в нашу эпоху.

Такое поведение аберрации оказывает свое влияние на азимут и высоту (elevation) спутника, т.е. параметры, непосредственно измеряемые телескопом в эксперименте [5,7]. Эти кажущиеся параметры сравнивались с истинными азимутом и высотой, суточное поведение которых было рассчитано без учета поправок на аберрацию.

Вычисление последних с использованием истинных (не скорректированных при монтаже телескопа) координат наземной станции ТАТ-01В (49,228^о восточной долготы, 55,765^о северной широты при высоте станции 0,13км над уровнем IAU-1976 эллипсоида Земли) показало, что азимут периодически изменяется в фазе с вектором давления солнечного потока. Это ясно видно на Рис.1, где приведен пример поведения геодезического азимута как предсказанного (геометрически рассчитанная без учета поправок на аберрацию- нижняя кривая), так и измеряемого (верхняя кривая). По оси абсцисс отложено астрономическое местное (на долготе телескопа) время в часах, а по оси ординат - азимут в градусах.

Рис.1. Суточное поведение наблюдаемого и предсказываемого азимута для спутника Intelsat704 на 22 марта 2000 г.

• 
  наличие сдвига экспериментальной синусоиды азимута на угол в область более поздних времен по сравнению с расчетным предсказанием (например, на Рис.1 задержка -44мин, т.е. ),
  
• 
  амплитуда экспериментальной кривой меньше, чем у рассчитанной
  
• 
  наличие постоянного пьедестала у экспериментальной кривой как для азимута, так и для высоты.
  

Использование экспериментальных значений и , измеряемых в различные даты [5], позволило рассчитать орбитальную и галактическую компоненты скоростей движения Земли и Солнечной системы, а также склонение и прямое восхождение апекса Солнца, и затем сравнить их с известными в наблюдательной астрономии значениями. Расчеты проводились численным методом с использованием программы Mathcad7. При этом решалась система из трех уравнений типа (2), взятых для трех различных дат [5,7]. С учетом эллиптичности земной орбиты эти даты подбирались таким образом, чтобы в эти эпохи расстояния от Земли до Солнца были бы примерно одинаковы, т.е. орбитальные скорости Земли в эти даты были бы равны.

В результате такой обработки экспериментальных данных, накопленных в течение трех лет (1997 – 2000гг.), была определена динамика сезонного поведения трех параметров , и .

На Рис. 2 представлены полученные после нахождения результаты для орбитальной компоненты скорости эфирного ветра. Каждая точка на графике для конкретной даты является результатом усреднения по всем таким наборам из трех уравнений, в которых была использована эта дата. Как видно из рисунка, поведение измеренных данным методом значений таково же, как для известной в наблюдательной астрономии скорости движения Земли по орбите: их усредненные за год величины (29.4км/с и 29.765 км/с, соответственно) совпадают с точностью до 1%, а их значения зимой, когда в начале января Земля находится в перигелии, слегка выше среднего, а летом (афелий в конце июня), соответственно, ниже. При точности измерения и порядка 10% такая высокая степень совпадения среднегодовых значений скорости определяется усреднением по большому объему полученных результатов.

Рис.2. Скорость эфирного ветра, обусловленного орбитальной компонентой движения Земли, в период с марта 1998 по декабрь 1999 гг.

- количество дней с 00:00:00 GMT 23 сентября 1997, VE-весеннее равноденствие, SS-летнее солнцестояние , WS-зимнее солнцестояние, AE-осеннее равноденствие
Таким образом, в нашем случае имеет место почти полная аберрация () , что близко к так называемой постоянной аберрации в астрономии - . На основании этого факта можно сделать два альтернативных заключения: либо эфир вообще не увлекается движением Земли (абсолютный эфир), либо такое увлечение есть, но волна, сформированная за пределами переходного слоя увлеченного Землей эфира, почти не испытывает воздействия с его стороны. И если бы первое было действительно верно, то аберрация с таким же значением угла имела бы место для любого земного источника. Однако, как показал выполненный у поверхности Земли с точностью до 3 эксперимент [9], аберрация от источника света, фиксированного относительно приемника вблизи Земли (до 1 км), вообще отсутствует. Идея об увлечении эфира движущейся Землей подтверждается не только экспериментом [9], но и безуспешными попытками обнаружить эфирный ветер при помощи интерференционных опытов, выполненных на уровне моря. Поэтому второе заключение об увлечении эфира - более реально. Почему же увлекаемый Землей переходный слой эфира практически не оказывает влияния на распространение электромагнитной волны, которая пришла от источника, находящегося за пределами этого слоя, пока не ясно. Однако можно предложить, по крайней мере, две идеи.

Первая- это связано с самим процессом генерации поля в ближней зоне. Источник, возмущая эфир вблизи себя, генерирует в нем в соответствии с микроскопическими уравнениями Максвелла систему вихрей, более плотных по сравнению с окружающим невозмущенным эфиром. Эта система связанных возмущений эфира (электромагнитное поле) распространяется в волновой зоне по принципу близкодействия со скоростью 300000км/с и, встречая на своем пути менее плотную движущуюся материю (например, ламинарные потоки эфира), не увлекается ею. При встрече же с более плотным образованием из эфира, поле может увлекаться этой материей частично (например, потоком воды как в эксперименте Физо) или полностью в зависимости от плотности этого образования.

Вторая идея состоит в том, что переходный слой эфира может быть настолько тонким, что вызванное увлечением слишком малое изменение угла аберрации просто не регистрируется аппаратурой. В грубом приближении (подразумевается полное увлечение во всем переходном слое эфира) угол аберрации имеет вид

(3),

где d-толщина слоя, D- расстояние между источником и наблюдателем, а - угол аберрации в неувлекаемой части эфира. Как следует из формулы, при для удаленных объектов (звезд, планет) , т.е. одинаково для всех звезд, что и подтверждается многочисленными астрономическими наблюдениями. Для близких к границе слоя объектов угол стремится к нулю, приводя в пределе к тому, что в случае нахождения источника в самом слое аберрация уже не имеет место. Это подтверждается результатом эксперимента [9]. В нашем же случае (спутник на орбите) D=35000км, а измеренный и усредненный за год угол аберрации отличается от постоянной аберрации примерно на 1%. Это дает для оценки максимальной толщины слоя увлеченного Землей эфира значение 350км. Возможно, что толщина этого слоя гораздо меньше, так как, скорее всего, коэффициент увлечения изменяется постепенно от 0 до 1 по мере приближения к поверхности Земли. Пока закон такого изменения не известен, но он несомненно связан с физическими свойствами эфира, которые еще требуют своего изучения.

Интересен еще один вывод из полученного в данной работе результата. Реальное наблюдение аберрации в ситуации, когда источник привязан к приемнику, является еще одним экспериментальным опровержением баллистической гипотезы Ритца, в соответствии с которой в такой ситуации аберрация не должна наблюдаться вообще.

Для нахождения компонент движения Солнечной системы в работах [5,7] были использованы экспериментальные значения и , а также экспериментальное значение для постоянного аберрационного сдвига геоцентрической широты спутника . Оно было получено из его связи с величиной пьедестала (см. Рис3) на кривых высоты спутника при учете атмосферной рефракции и при усреднении за год [7]. На этом графике приводится характерный пример трехсуточного поведения высоты спутника и синусоидальный характер кривой здесь вызван наличием ненулевого значения наклонения орбиты.

Рис. 3. Высота спутника Intelsat704 в период 10-13 января 1999 г.

точки- эксперимент, линия-предсказание

В каждом случае при решении наборов из трех уравнений (2) для экспериментальных значений прямого восхождения апекса Солнца было получено , т.е. прямое восхождение апекса Солнца близко 90^o , либо 270^o. Одно из этих значений с высокой точностью совпадает с часовым углом апекса Солнца, известным из наблюдательной астрономии: 17^h59 ^min , т.e. 269,75^o .

Для нахождения склонения апекса в [5,7] использовалось отношение . При измеренном среднегодовом экспериментальном значении постоянного сдвига широты спутника было определено значение склонения апекса Солнца .

После использования этого значения склонения из выражения была определена скорость Солнечной системы. Полученное значение хорошо согласуется с известными значениями для скорости движения нашей Галактики, ранее измеренными в работе [10] на основании исследования сдвига частоты фонового микроволнового излучения. Эта абсолютная скорость является векторной суммой скорости нашей Галактики и орбитальной скорости Солнца относительно галактического центра (в среднем около 250км/с).

(4), где - угол между и , а - угол аберрации, т.е. угол между и . Для равномерного движения он имеет точную зависимость от

После исключения из (4), можно получить значение относительной скорости света в движущейся системе координат наблюдателя

1. Эфирный ветер (ред. В.А. Ацюковский), М., Энергоатомиздат, 1993, 289 с

2. Miller D.C., Significance of the ether-drift experiments of 1925 at Mount Wilson, Science 1926, 63, 433-443

3. Michelson A., Pease F., Pearson F. Repetition of the Michelson-Morley experiment, JOSA, 1929, 18, 3, 181-182

4. Conference on Michelson-Morley experiment, Astrophys. J. 1928. 68. 5. 341

5. Eugene I. Shtyrkov, Observation of ether drift in experiments with geostationary satellites, Proceedings of the NPA, 12th Annual Conference , Storrs CT, USA, 23-27 May 2005. v.2, №2, 201-205; и на http://bourabai.narod.ru/shtyrkov/shtyrkov.pdf

6.Штырков Е.И., Измерение параметров движения Земли в эксперименте с геостационарным спутником , Fundamental Problems of Physics, III International Conf. Program &Abstracts, Kazan, 13-18 June 2005, 101-102

7. Штырков Е.И., Измерение параметров движения Земли и Солнечной системы, Вестник КРАУНЦ:Науки о Земле, 2005, №2, в.6, 135-143; и на http://bourabai.narod.ru/shtyrkov/bradley.pdf

8. на сайте http://www.intelsat.com

9. Штырков Е.И., К вопросу экспериментальной проверки некоторых положений электродинамики движущихся сред, Гравитации и теория относительности, Казань, КГУ, 1988, 26, 133-142, а также на http://bourabai.narod.ru/shtyrkov/snell.pdf

10. Smoot G., Gorenstein N., Muller R., Phys. Rev. Lett.,1977, 39, 898.

11. Einstein A., Zur Elektrodynamik der bewegter Korper, Ann.Phys.,1905, 17, 891