Эффект Доплера и закон сохранения энергии

25 мая 1842 года на заседании отделения естественных наук Королевского научного общества Богемии в Праге Христиан Андреас Доплер (1803 – 1853), представил статью «О цветном свете двойных звезд и некоторых других звезд на небесах». Эта статья была опубликована в трудах Общества в следующем году /1/.

Доплер, размышляя над наблюдаемыми волнами на воде, пришел к убеждению, соглашаясь с Гюйгенсом (1629 – 1695), что так же, как и эти волны на воде, распространяется в воздушной среде звук и свет.

Доплер предположил, что по мере приближения объекта, испускающего эти волны, к неподвижному наблюдателю, они должны сжиматься, то есть наблюдатель услышит или увидит изменение частоты и длины волн. Применительно к видимому свету, при его приближении к наблюдателю его спектр излучения должен последовательно меняться от красного к синему, а звук становиться более высоким, а при удалении все будет происходить в обратном порядке.

Это явление впоследствии было названо его именем - эффектом Доплера.

В свой работе Доплер приводит открытую им зависимость, для случая сближения, в следующем виде /2/:

    (1)

где, ω – частота излучения источника в динамике;

ω₀ – частота излучения источника в статике;

с – скорость распространения волн;

v – скорость движения источника волн в пространстве;

λ – длина волны излучения, воспринимаемая наблюдателем.

В том же году, когда был сделан доклад, Доплер провел эксперимент, используя две группы трубачей, одна из которых двигалась вдоль станции, а вторая оставалась неподвижной. Эксперимент подтвердил, что, когда оркестры играют одну ноту, они в это время находятся в диссонансе между собой.

В то время казалось, что прямым подтверждением формул Доплера явились наблюдения немецкого астронома в 1871 г. Германа Фогеля (1841 - 1907). Изобретённый И. Цёлльнером (1834 – 1882) в 1861 г. астрофотометр, позволил ему наблюдать спектры противоположных краёв солнечного экватора. Спектральный интервал между положениями в этих спектрах одной и той же линии Фраунгофера приводил по Доплеру к относительной скорости краёв около 4 км/с; та же скорость, вычисленная по смещению солнечных пятен, получалась около 3 км/с.

Примерно в эти годы вспомнили и о работе Армана Физо (1819 - 1896), который показал, что эффект Доплера должен приводить к небольшому смещению спектральных линий при движении с орбитальной скоростью Земли (1848 г.).

Изменение частоты звука во время движения, наблюдают многие люди, особенно сегодня, когда нас окружает неимоверное количество двигающейся, всё быстрее и быстрее, техники, но вот, изменение светового спектра на глаз замерить нельзя, поэтому вывод Доплера о возможности распространения открытого им явления на движение световых источников вызывает обоснованное сомнение, особенно в связи с открытием скорости света и движения звездных систем /3/.

В настоящее время максимальная наблюдаемая скорость звездных систем не превышает 0,0077 скорости света, подставив это значение в формулу Доплера нетрудно определить изменение наблюдаемой длины волны. В этом случае она составит всего 1,0077 исходной длины волны излучения.

Центр солнечного спектра приходится на уровне 5500 ангстрем, следовательно максимальную длину волны, которую можно объяснить эффектом Доплера, для скорости движения объекта 0,0077с, составляет 5543 А. Это значение полностью находится в желтом спектре излучения, граница которого с красной стороны находится на уровне 5600 А, и наблюдаться как «красное смещение» не может. Соответственно при меньших скоростях, это отклонение будет ещё меньше. Но «красное смещение» реально наблюдается, и раз оно не может быть объяснено эффектом Доплера, то оно должно иметь иную природу.

Американский астроном Весто Мелвин Слайфер (1875 - 1969), впервые обнаружил спектры с «красным смещением» наблюдаемых им галактик, и в 1914 г. в докладе собранию Американского астрономического общества в Эванстоне, штат Иллинойс, предположил, что Вселенная расширяется, имея в виду не пространство, а расстояния между галактиками, так как некоторые галактики имели синее смещение.

В 1919 г. идею расширяющейся Вселенной поддержал нидерландский астроном Виллем де Ситтер (1872 - 1934), а в 1927 г. бельгийский астроном Жорж Леметр (1894 – 1966), уже в рамках концепта Общей теории относительности А. Эйнштейна (1879 – 1955).

Теоретическое обоснование, предположения Ситтера о расширении пространства Вселенной, нашло в работах А.А. Фридмана (1888 – 1925) в 1922 –1924 гг.

Таким образом, в настоящее время общепризнанным считается объяснение «красного смещения» расширением пространства Вселенной.

Наблюдаемое в настоящее время «красное смещение» в оптическом диапазоне, даёт увеличение длины волны наблюдаемых фотонов источника до 30%, что пропорционально уменьшению на эту же величину их внутренней энергии, в соответствии с уравнением Планка:

h*c = e*λ    (2)

где, h – постоянная Планка;

с – скорость света;

е – внутренняя энергия частицы;

λ – длина волны частицы.

Таким образом, для того чтобы компенсировать эту энергетическую потерю, пространство должно расширяться со скоростью 0,3 скорости света, с учётом эффекта Доплера.

Для того, чтобы понять, насколько это предположение безумно, надо иметь в виду, что наша Солнечная система находится в пространстве, которое также расширяется со скоростью 0,3 скорости света /4/. Полагаю, что не надо быть великим учёным, чтобы понять, что это предположение из области диких фантазий.

Таким образом, ни доплеровский эффект, ни теория расширяющейся Вселенной не могут объяснить природу «красного смещения».

Для объяснения природы «красного смещения» и «реликтового излучения» необходимо обратиться к закону сохранения энергии в интерпретации неоклассической физики [1].

Поскольку закон сохранения энергии в неоклассической физике устанавливает, что движения в пространстве без потери энергии не существует, то изменение энергии оптических фотонов по «красному смещению» и «реликтовому излучению» можно объяснить природой фанергии /5/.

Если согласиться, что наблюдаемая оптическая граница Вселенной, по данным Большой российской энциклопедии, находится от нас на расстоянии 13,797 ± 0,023 млрд св. лет, а граница «красного смещения» этого же диапазона находится на уровне 7000 А (72,7% от исходного уровня по энергии), то свет, за это время движения от источника к наблюдателю, теряет 27,3% своей энергии.

Зависимость фанергии (потери энергии) от времени пути фотона относительно его исходной энергии может быть определена эмпирической формулой:

Ф_f = ⅒Тⁿ    (3)

где, Ф_f – фанергия относительно исходного значения энергии фотона;

Т – время в пути в млрд. св. лет;

n = 0,4 для значений Т от 0 до 300.

При Т = 13,797 млрд. св. лет Ф_f = 0,2857, что соответствует длине волны 7071 А красного края нормального солнечного спектра (5500 А) /6/.

Свыше Т=300 n уменьшается по экспоненте с уменьшающимся шагом, начиная с 0,0002 до 0,000002 на каждый миллиард лет /7/. Формула работает до значений Т=10000 и n=0,25 при которых Ф_f = 1. Таким образом, предлагаемая эмпирическая зависимость позволяет рассчитывать расстояние до наблюдаемого объекта на глубину космоса до 10 триллионов световых лет, по уровню ослабления энергии фотона. Дальнейшие исследования по уточнению соответствия расчётов результатам наблюдений, полагаю, позволят расширить доступный нам исследовательский горизонт /8/.

Фанергия, отнесённая к исходной энергии источника, связывается с современным значением «красного смещения» выражением /9/:

Ф_f = [1 – (1/(z +1)]    (4)

где, Ф_f – фанергия относительно исходного значения энергии фотона;

z – современный общепринятый показатель «красного смещения».

Таким образом, проведенный анализ показывает, что феномены «красного смещения» и «реликтового излучения» невозможно объяснить с точки зрения эффекта Доплера.

Вопрос расширяющейся Вселенной необходимо решать в рамках космологического понимания пространства, которое по наблюдениям за Солнечной системой является непрерывным, бесконечным, вечным, трёхмерным и стационарным, и которое, в связи с этим, не может расширяться.

Учитывая положения закона сохранения энергии в интерпретации неоклассической физики, можно утверждать, что наблюдаемые феномены «красного смещения» и «реликтового излучения» могут быть объяснены природой фанергии, которая является неотъемлемой составляющей движения любых энергетических структур в пространстве. В этом случае анализ фактических данных наблюдения за потерей фотонами своей энергии позволяет констатировать, что наблюдаемая граница Вселенной сегодня находится на уровне 10 триллионов световых лет /10/.

В связи с этим, зависимость фанергии от проведенного фотоном времени в пути вычисляемую уравнением (3), предлагается назвать «шкалой времени по красному смещению» /11/.

Примечания

/1/ Открытию предшествовала обычная, изнуряющая здоровье Доплера, преподавательская практика. 30 апреля 1835 года он стал учителем элементарной математики и вычислений в Государственной средней школе в Праге. Помимо работы в школе, с 1836 года Доплер преподавал по несколько часов в неделю в Пражском политехническом институте. В период с 1836 по 1841 годы он проводил много времени в тесных и душных аудиториях, читал лекции примерно 400 студентам. Современники полагали, что именно в эти годы он заболел лёгочным туберкулёзом, от которого впоследствии умер.

В марте 1841 года Доплер получил должность профессора практической геометрии и элементарной математики в Пражском политехническом институте. Он был никому неизвестен, и ничто не предвещало великого открытия.

Доклад 25 мая 1842 года слушали всего 5 человек. Председательствовал его друг и наставник Б. Больцано (1781 - 1848), философ и математик. В протоколе было записано: «Доплер рассказал о необычных цветах двойных и некоторых других звёзд на небе и попытался объяснить эти достойные внимания явления, предложив новую теорию, которая включает теорему Бредлея об аберрации как составную часть».

Джеймс Брэдли (1693 - 1762), английский астроном, в 1728 году открыл звездную аберрацию: смещение звезд по эллипсу в течение года из-за движения Земли вокруг Солнца, и на основании этого определил скорость света. Полученное им значение по его расчётам составило 308 000 км/с.

Таким образом, Доплер, знал о скорости движения световых волн, но не знал о скорости движения их источников, поэтому свое предположение, о применимости открытого им эффекта к свету, строил по аналогии со звуковым эффектом. Но, как мы сегодня видим, в этом вопросе он ошибался, так как открытый им эффект не мог вызвать «красное смещение» в оптическом диапазоне из-за несоизмеримости скорости движения световых волн и источников их испускающих.

/2/ При удалении источника от наблюдателя, направление его скорости имеет противоположный знак по отношению к скорости распространения волн.

/3/ Вопрос смещения спектральных линий в контексте «красного смещения» требует отдельного исследования, так как по формуле (1) вычислить небольшие скорости достаточно проблематично, так как при скорости источника 3 км/с спектр сдвигается всего на 0,055 А, в то время как ширина самой спектральной линии около 0,03 А. [2, с. 107] Поэтому результат измерений в 1871 г. Германа Фогеля вызывает обоснованное сомнение.

Для сравнения в 1879 г. американский астроном Генри Дрейпер (1837 – 1882), смог измерять спектр с точностью до 1 А. В 1910 г. в обсерватории Маунт Вилсон повысили точность спектральных измерений уже до 0,08 А. Современные спектрометры позволяют получать разрешение 0,02 А или 0,7 ширины спектральной линии.

/4/ Следует отметить, что теория Большого взрыва, которая обосновывает расширение Вселенной, очень смахивает на античный геоцентризм, сформулированный Фалесом и Анаксимандром, иначе невозможно объяснить, как в расширяющейся Вселенной мы не наблюдаем этого феномена в Солнечной системе, если не принять за постулат вселенский гелиоцентризм. Но тогда теория Большого взрыва, это фактически новая версия античного геоцентризма.

Если вместо уравнения Доплера воспользоваться преобразованием Лоренца, которое использовал Эйнштейн в своей теории относительности, то скорость расширения Вселенной по «красному смещению» будет равна с (0,55с).

/5/ Под фанергией в неоклассической физике понимается энергия израсходованная на преобразования системы при переходе из состояния 1 в состояние 2. Так как, оптический фотон, приобретает энергию необходимую для его движения только один раз, в момент своего возникновения, то, при движении в пространстве он её неуклонно теряет, доходя до наблюдателя с меньшей энергией по отношению к исходной, что, собственно, мы и наблюдаем в феноменах «красного смещения» и «реликтового излучения». Этот вывод напрямую вытекает из уравнения Планка (2), при условии неизменности скорости света во время движения фотона.

/6/ Для отыскания времени по фанергии используется формула:

Т = е^∆

где ∆ = (ln10Ф)/n

Следует отметить, что эта формула распространяется на любой объект, движущийся в пространстве с любой скоростью.

Так, например, использование «шкалы времени по красному смещению» для анализа кинематики Земли, позволяет определить снижение её орбитальной скорости за 4 млрд. лет на 9,12%, т.е. в момент формирования планетарной системы Земля находилась ближе к Солнцу, чем в настоящее время. Эту особенность уравнения (3) можно использовать для определения времени формирования экзопланетарных систем, по отношению к возрасту звезды формирования.

/7/ При переходе расчёта через 1 надо уменьшить величину шага n. Например:

Т = 290, n = 0,4 Ф_f = 0,96596

Т = 300, n = 0,4 Ф_f = 0,9791

Т = 310, n = 0,398 Ф_f = 0,9808

Т = 320, n = 0,396 Ф_f = 0,9818 и т.д.

«Реликтовое излучение» находится на уровне фанергии 0,999(888), т.е. на самой границе наших расчётных возможностей, что указывает на то, что мы в этом диапазоне видим сигналы объектов, испускавших оптические фотоны 10 триллионов св. лет назад.

Т = 10000, n = 0,2499999 Ф_f = 0,9999(999)

Для «реликтового излучения»:

n = 0,249996 Ф_f = 0,999(888) Т_r = 9998

/8/ Основное направление уточнения расчета зависимости «красного смещения» от расстояния, очевидно, будет связано с корреляцией смещения оптических спектров источников с расстоянием до них, измеренного методом тригонометрического параллакса. Подобные корреляции позволят достаточно точно выделить в структуре спектра источника такие его составляющие, как доплеровский эффект от движения Земли и источника, и собственно долю фанергии в этих измерениях, что позволит уточнить эмпирические характеристики формулы (3). В настоящее время предельное расстояние для тригонометрического параллакса составляет около 20 млн. лет, что соответствует значению фанергии Ф_f = 0,021 или 115 А смещения спектра. При ширине спектральной линии 0,03 А, спектральный интервал наблюдения составит 3833 спектральных линий, вполне достаточный для калибровки метода измерения.

/9/ Галактика HD 1 в созвездии Секстанта имеет красное смещение z = 13,27. В соответствии с формулой (4) фанергия этого объекта равна Ф_f = 0,93. Соответственно, расстояние до неё, вычисленное по формуле (3), составляет 263,76 млрд. св. лет. Этот результат значительно отличается от расчета по постоянной Хаббла – 13,5 млрд. св. лет, но он учитывает выход изменения энергии принимаемых от источника фотонов из оптического диапазона, что, в настоящее время, игнорируется современными методами расчёта расстояний по величине «красного смещения».

Иными словами, современные исследователи уже давно вышли из оптического диапазона в прямом и переносном смыслах.

В связи с этим следует отметить, что расстояние в 263,76 млрд. св. лет рассчитано из предположения об исходном оптическом диапазоне, но как показывает синее свечение, исходным источником может быть и рентгеновское излучение, тогда фанергия для HD 1 увеличивается до 0,998, а расстояние, соответственно, до 9,98 трлн. св. лет. До тех пор пока мы по остаточной светимости не научимся определять энергию излучения источника, все наблюдаемые объекты за границей оптического диапазона могут быть идентифицированы лишь условно, либо это оптический источник, и расстояние до него одно, либо это рентгеновский источник, и расстояние до него, соответственно, другое.

/10/ Если предположить, что на границе 10 триллионов св. лет от нас, оптические фотоны с энергией 2,5 эВ, являются остатками гамма-квантов с исходной энергией 10 ТэВ, то общий путь фотонов от гамма-источника до наблюдателя составляет в этом случае не менее 10³⁰ (нониллионов) св. лет, что дает прямое указание на бесконечность Вселенной.

В то же время «шкала времени по красному смещению» позволяет вычислить расстояние до так называемых «синих звёзд» из предположения, что мы наблюдаем в их спектре ослабленное рентгеновское излучение. В этом случае эти объекты удалены от нас на расстояние более 5,6 млрд. св. лет. Элементный спектр каждого такого объекта позволяет вычислить это значение точнее.

/11/ Более корректно выражение (3) следует назвать «шкала времени по фанергии», но поскольку в настоящее время термин «фанергия» неизвестен, то возможно, это название будет использоваться в будущем, когда завершится формирование неоклассической физики.