Emissionsteori

Den här artikeln handlar om emissionsteorin om relativitet. För emissionsteorin om syn, se Emissionsteori (vision) .

Emissionsteori , även kallad emitterteori eller ballistisk ljusteori , var en konkurrerande teori för den speciella relativitetsteorin, som förklarade resultaten av Michelson–Morley-experimentet 1887. Emissionsteorier följer relativitetsprincipen genom att inte ha någon föredragen ram för ljus transmission, men säg att ljus sänds ut med hastighet "c" relativt sin källa istället för att tillämpa invarianspostulatet. Emitterteori kombinerar således elektrodynamik och mekanik med en enkel Newtonsk teori. Även om det fortfarande finns förespråkare för denna teori utanför den vetenskapliga huvudfåran, anses denna teori vara slutgiltigt misskrediterad av de flesta vetenskapsmän.

Historia

Huvudartikel: Ritz ballistisk teori

Det namn som oftast förknippas med emissionsteori är Isaac Newton . I sin korpuskulära teori visualiserade Newton att ljus "kroppar" kastades bort från heta kroppar med en nominell hastighet av c i förhållande till det emitterande föremålet och följde de vanliga lagarna i Newtons mekanik, och vi förväntar oss att ljuset rör sig mot oss med en hastighet som kompenseras av hastigheten för den avlägsna sändaren ( c ± v ).

På 1900-talet skapades speciell relativitetsteori av Albert Einstein för att lösa den uppenbara konflikten mellan elektrodynamik och relativitetsprincipen . Teorins geometriska enkelhet var övertygande, och majoriteten av forskarna accepterade relativitetsteorien 1911. Men några forskare förkastade det andra grundläggande postulatet om relativitet: konstanten för ljusets hastighet i alla tröghetsramar . Så olika typer av emissionsteorier föreslogs där ljusets hastighet beror på källans hastighet, och den galileiska transformationen används istället för Lorentz-transformationen . Alla kan förklara det negativa resultatet av Michelson-Morley-experimentet , eftersom ljusets hastighet är konstant i förhållande till interferometern i alla referensramar. Några av dessa teorier var:

• Ljus behåller genom hela sin väg den hastighetskomponent som det erhållit från sin ursprungliga rörliga källa, och efter reflektion sprids ljus ut i sfärisk form runt ett centrum som rör sig med samma hastighet som den ursprungliga källan. (Föreslagen av Walter Ritz 1908). Denna modell ansågs vara den mest kompletta emissionsteorin. (Egentligen modellerade Ritz Maxwell–Lorentz elektrodynamik. I en senare artikel sa Ritz att emissionspartiklarna i hans teori borde utsättas för interaktioner med laddningar längs deras väg och att vågor (producerade av dem) därför inte skulle behålla sina ursprungliga emissionshastigheter på obestämd tid.)
• Den exciterade delen av en reflekterande spegel fungerar som en ny ljuskälla och det reflekterade ljuset har samma hastighet c med avseende på spegeln som har originalljus med avseende på dess källa. (Föreslog av Richard Chase Tolman 1910, även om han var en anhängare av speciell relativitetsteori).
• Ljus som reflekteras från en spegel får en hastighetskomponent som är lika med hastigheten för spegelbilden av den ursprungliga källan (föreslagit av Oscar M. Stewart 1911).
• En modifiering av Ritz-Tolman-teorin introducerades av JG Fox (1965). Han hävdade att extinktionssatsen (dvs. regenereringen av ljus inom det genomkorsade mediet) måste övervägas. I luft skulle släckningsavståndet vara endast 0,2 cm, det vill säga efter att ha passerat detta avstånd skulle ljusets hastighet vara konstant med avseende på mediet, inte till den ursprungliga ljuskällan. (Fox själv var dock en anhängare av speciell relativitet.)

Albert Einstein ska ha arbetat på sin egen emissionsteori innan han övergav den till förmån för sin speciella relativitetsteori . Många år senare rapporterar RS Shankland att Einstein sa att Ritz teori hade varit "mycket dålig" på sina ställen och att han själv så småningom hade förkastat emissionsteorin eftersom han inte kunde komma på någon form av differentialekvationer som beskrev den, eftersom den leder till vågorna av ljus blir "allt blandat".

Bestridanden av emissionsteorin

Följande schema introducerades av de Sitter för att testa utsläppsteorier:

$c'=c\pm kv\,$

där c är ljusets hastighet, v källans hastighet, c' den resulterande ljushastigheten och k en konstant som anger graden av källaberoende som kan uppnå värden mellan 0 och 1. Enligt speciell relativitet och den stationära etern, k =0, medan emissionsteorier tillåter värden upp till 1. Åtskilliga markexperiment har utförts, över mycket korta avstånd, där inga "ljusdragande" eller utsläckningseffekter skulle kunna spela in, och återigen bekräftar resultaten att ljushastigheten är oberoende av källans hastighet, vilket definitivt utesluter emissionsteorier.

Astronomiska källor

Willem de Sitters argument mot emissionsteorin. Enligt enkel emissionsteori rör sig ljus med en hastighet av c i förhållande till det emitterande objektet. Om detta vore sant skulle ljus som sänds ut från en stjärna i ett dubbelstjärnesystem från olika delar av omloppsbanan färdas mot oss med olika hastigheter. För vissa kombinationer av omloppshastighet, avstånd och lutning skulle det "snabba" ljuset som avges under inflygning passera "långsamt" ljus som sänds ut under en recessionell del av stjärnans bana. Många bisarra effekter skulle kunna ses, inklusive (a) som illustreras, ovanligt formade variabla stjärnljuskurvor som aldrig har setts, (b) extrema dopplerröda- och blåförskjutningar i fas med ljuskurvorna, vilket antyder mycket icke-Keplerianska banor, och (c) splittring av spektrallinjerna (notera samtidig ankomst av blått- och rödskiftat ljus till målet).

År 1910 skrev Daniel Frost Comstock och 1913 Willem de Sitter att för fallet med ett dubbelstjärnesystem sett på kant, kan ljus från den annalkande stjärnan förväntas färdas snabbare än ljuset från dess vikande följeslagare och köra om den. Om avståndet var tillräckligt stort för att en annalkande stjärnas "snabba" signal skulle hinna med och köra om det "långsamma" ljuset som den hade sänt ut tidigare när den höll på att sjunka tillbaka, borde bilden av stjärnsystemet verka helt förvrängd. De Sitter hävdade att inget av stjärnsystemen han hade studerat visade det extrema optiska effektbeteendet, och detta ansågs vara dödsstöten för Ritzian teori och emissionsteori i allmänhet, med $k<2\ gånger 10^{-3}$ .

Effekten av utrotning på de Sitters experiment har övervägts i detalj av Fox, och det undergräver utan tvekan styrkan hos bevis av de Sitter-typ baserade på binära stjärnor. Liknande observationer har dock gjorts på senare tid i röntgenspektrumet av Brecher (1977), som har ett tillräckligt långt utsläckningsavstånd för att det inte ska påverka resultaten. Observationerna bekräftar att ljusets hastighet är oberoende av källans hastighet, med $k<2\times 10^{-9}$ .

Hans Thirring hävdade 1924 att en atom som accelereras under emissionsprocessen genom termiska kollisioner i solen, sänder ut ljusstrålar med olika hastigheter vid sina start- och slutpunkter. Så ena änden av ljusstrålen skulle passera de föregående delarna, och följaktligen skulle avståndet mellan ändarna förlängas upp till 500 km tills de når jorden, så att blotta existensen av skarpa spektrallinjer i solens strålning motbevisar den ballistiska modellen .

Terrestra källor

Sådana experiment inkluderar det från Sadeh (1963) som använde en time-of-flight-teknik för att mäta hastighetsskillnader för fotoner som färdas i motsatt riktning, vilka producerades genom positronförintelse. Ett annat experiment utfördes av Alväger et al. (1963), som jämförde flygtiden för gammastrålar från rörliga och vilande källor. Båda experimenten fann ingen skillnad, i enlighet med relativitetsteori.

Filippas och Fox (1964) ansåg inte att Sadeh (1963) och Alväger (1963) hade tillräckligt kontrollerat för effekterna av utrotning. Så de genomförde ett experiment med en uppsättning speciellt utformad för att ta hänsyn till utrotning. Data som samlats in från olika detektor-målavstånd överensstämde med att ljusets hastighet inte var beroende av källans hastighet och var oförenliga med modellerat beteende som antog c ± v både med och utan utsläckning.

⁰ I fortsättningen av sina tidigare undersökningar har Alväger et al. (1964) observerade π - mesoner som sönderfaller till fotoner vid 99,9% ljushastighet. Experimentet visade att fotonerna inte uppnådde hastigheten för sina källor och fortfarande färdades med ljusets hastighet, med $k=(-3\pm 13)\ gånger 10^{-5}$ . Undersökningen av media som korsades av fotonerna visade att utsläckningsskiftet inte var tillräckligt för att förvränga resultatet avsevärt.

Även mätningar av neutrinohastighet har utförts. Mesoner som färdades nästan med ljushastighet användes som källor. Eftersom neutriner bara deltar i den elektrosvaga interaktionen spelar utrotning ingen roll. Terrestra mätningar gav övre gränser på $k\leq 10^{-6}$ .

Interferometri

Sagnac -effekten visar att den ena strålen på en roterande plattform täcker mindre avstånd än den andra strålen, vilket skapar förskjutningen i interferensmönstret. Georges Sagnacs ursprungliga experiment har visat sig drabbas av utrotningseffekter, men sedan dess har Sagnac-effekten också visat sig inträffa i vakuum, där utrotning inte spelar någon roll.

Förutsägelserna av Ritz version av emissionsteorin stämde överens med nästan alla terrestra interferometriska tester förutom de som involverade spridning av ljus i rörliga medier, och Ritz ansåg inte att svårigheterna som tester som Fizeau-experimentet presenterade var oöverstigliga . Tolman noterade dock att ett Michelson-Morley-experiment med en utomjordisk ljuskälla kunde ge ett avgörande test av Ritz-hypotesen. 1924 utförde Rudolf Tomaschek ett modifierat Michelson-Morley-experiment med stjärnljus, medan Dayton Miller använde solljus. Båda experimenten var oförenliga med Ritz-hypotesen.

Babcock och Bergman (1964) placerade roterande glasplattor mellan speglarna på en common-path interferometer inställd i en statisk Sagnac-konfiguration . Om glasplattorna beter sig som nya ljuskällor så att den totala ljushastigheten som kommer ut från deras ytor är c ​​+ v , skulle en förskjutning i interferensmönstret förväntas. Det fanns dock ingen sådan effekt som återigen bekräftar speciell relativitet, och som återigen visar ljushastighetens källaoberoende. Detta experiment utfördes i vakuum, så utrotningseffekter borde inte spela någon roll.

Albert Abraham Michelson (1913) och Quirino Majorana (1918/9) genomförde interferometerexperiment med vilande källor och rörliga speglar (och vice versa), och visade att det inte finns något källaberoende av ljusets hastighet i luft. Michelsons arrangemang var utformat för att skilja mellan tre möjliga interaktioner mellan rörliga speglar och ljus: (1) "ljuskropparna reflekteras som projektiler från en elastisk vägg", (2) "spegelytan fungerar som en ny källa", (3) "ljusets hastighet är oberoende av källans hastighet". Hans resultat överensstämde med källans oberoende av ljushastighet. Majorana analyserade ljuset från rörliga källor och speglar med hjälp av en Michelson-interferometer med ojämlik arm som var extremt känslig för våglängdsförändringar. Emissionsteorin hävdar att dopplerförskjutning av ljus från en rörlig källa representerar en frekvensförskjutning utan någon förskjutning i våglängd. Istället upptäckte Majorana våglängdsförändringar som inte överensstämmer med emissionsteorin.

Beckmann och Mandics (1965) upprepade Michelsons (1913) och Majorana (1918) rörliga spegelexperiment i högvakuum och fann att k var mindre än 0,09. Även om det använda vakuumet var otillräckligt för att definitivt utesluta utrotning som orsak till deras negativa resultat, var det tillräckligt för att göra utrotning mycket osannolik. Ljus från den rörliga spegeln passerade genom en Lloyd-interferometer , en del av strålen färdades en direkt väg till den fotografiska filmen, en del reflekterade från Lloyd-spegeln. Experimentet jämförde ljusets hastighet som hypotetiskt rör sig vid c + v från de rörliga speglarna, mot reflekterat ljus som hypotetiskt rör sig vid c från Lloyd-spegeln.

Andra vederlag

Emissionsteorier använder den galileiska transformationen, enligt vilken tidskoordinater är invarianta när man byter ramar ("absolut tid"). Således Ives-Stilwell-experimentet , som bekräftar relativistisk tidsdilatation , emissionsteorin om ljus. Som visat av Howard Percy Robertson kan den fullständiga Lorentz-transformationen härledas när Ives-Stillwell-experimentet betraktas tillsammans med Michelson-Morley-experimentet och Kennedy- Thorndike-experimentet .

Vidare placerar kvantelektrodynamiken ljusets utbredning i ett helt annat, men fortfarande relativistiskt, sammanhang, vilket är helt oförenligt med någon teori som postulerar en ljushastighet som påverkas av källans hastighet.

Se även

• Special relativitetsteoriens historia
• Tester av speciell relativitet

• Isaac Newton, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica
• Isaac Newton, Opticks

externa länkar

• de Sitter (1913) artiklar om binära stjärnor som bevis mot Ritz emissionsteori.