Синхотронное излучение против релятивизма

© Вальтер Орлов

Контакт с автором: worlov@yandex.ru

Синхотронное излучение является ключевым феноменом, позволяющем проверить на практике действенность специальной теории относительности. Источником его являются высокоэнергичные электроны, имеющие так называемые релятивисткие скорости, т.е. околосветовые, которые на поворотах испускают интенсивные пучки электромагнитных волн, короче, всё точно подходит даже к заголовку самой знаменитой статьи Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел».

________________________________________________________________________

Следующяя его работа «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нём энергии?» является прямым её продолжением, вначале он сам делает ссылку:
«В предыдущем исследовании я исходил, кроме уравнения Максвелла-Герца для пустоты и формулы Максвелла для электромагнитной энергии пространства, еще из следующего принципа.

Законы по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к какой из двух координатных систем, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, отнесены эти изменения состояния (принцип относительности). Исходя из этого я, в частности, пришел к следующему результату.

Пусть система плоских волн света, отнесенная к координатной системе (x, y, z), обладает энергией l и пусть направление луча (нормаль к фронту волны) образует угол φ с осью x системы. Если ввести новую координатную систему (ξ, η, ζ), движущуюся равномерно и прямолинейно относительно системы (x, y, z), и если начало координат первой системы движется со скоростью v вдоль оси x, то упомянутая энергия света, измеренная в системе (ξ, η, ζ), будет

где V – скорость света. В дальнейшем мы воспользуемся этим результатом.»Далее Эйнштейн пытается на основе приведённой формулы вывести зависимость между массой и энергией, для этого он рассматривает тело, находящееся в покое в системе (x, y, z). В двух противоположных направлениях оно посылает световые вспышки с одинаковой энергией L/2. Ключевое утверждение Эйнштейна:
«При этом тело остается в покое относительно системы (x, y, z). Для этого процесса должен выполняться закон сохранения энергии и притом (согласно принципу относительности) по отношению к обеим координатным системам.»В системе отсчёта (x, y, z) энергия тела до излучения вспышек света E0 равна сумме энергии тела после испускания вспышек света E1 и энергии вспышек света:

С точки зрения наблюдателя в движущейся системе (ξ, η, ζ) имеют как тело так и световые вспышки другую энергию. С учётом в начале приведённой формулы для энергии света Эйнштейн получил:

где H0 и H1 есть энергии тела соответственно до и после испускания вспышек света в движущейся системе отсчёта (ξ, η, ζ). Как мы видим, в последнем случае из-за релятивисткого коэффициента величина излучённой энергии больше, поэтому Эйнштейн заключает:»Кинетическая энергия тела относительно системы (ξ, η, ζ) уменьшается при испускании света на величину, не зависящую от природы тела.»Так как согласно ключевому предположению

«При этом тело остается в покое относительно системы (x, y, z)
скорость тела сохраняется, меняться может только масса и Эйнштейн делает вывод:
«[…] если тело отдает энергию L в виде излучения, то его масса уменьшается на L/V2.»К идее существования связи между массой и энергией учёные пришли ещё до Эйнштейна, например Пуанкаре [1] и Газенорль [2], несмотря на это, её открытие приписывается Эйнштейну. Однако меня интересует не столько историческая справедливость, сколько в этом случае очевидное экспериментальное опровержение теории относительности. Да, сама формула блестяще подтверждается дефектом масс в процессе радиоактивного распада атомных ядер, однако это не означает, что таким образом автоматически подтверждается теория относительности, потому что отношение между массой и энергией было получено до Энштейна и без использования его принципа относительности.

E = mc2 нарушает принцип относительности!

По-сути мы имеем дело с типичным эйнштейновским мысленным экспериментом. Будет ли всё точно так же происходить в реальном физическом эксперименте? – Нет!

Даже не надо ставить какой-то специальный эксперимент, достаточно поинтересоваться с какими проблемами борятся учёные в ускорителях элементарных частиц. Особенно пучки электронов претерпевают большие энергетические потери из-за так называемого синхротронного излучения, после чего их приходиться дополнительно ускорять до восстановления первоначальной скорости… в полном противоречии к предположению Эйнштейна, что скорость тела не меняется после излучения вспышек света.

Синхротронное излучение возникает, в частности, если электронный пучок высокой энергии отклоняется с помощью сильного магнитного поля. Как известно это не приводит к изменению кинетической энергии электронов, однако по законам электродинамики ускорение заряда, в том числе и перпендикулярное к направлению движения, объуславливает излучение электромагнитных волн.

Сторонники теории относительности представляют этот процесс следующим образом [3]:

«Moving frame of elektron» – это система отсчёта электрона, где он находится в покое, она соответствует координатной системе (x, y, z). «Lab frame»  – это система отсчёта лаборатории, т.е. экспериментаторов и ускорителя. В мысленном эксперименте Эйнштейна она соответствует движущейся координатной системе (ξ, η, ζ).

В системе отсчёта электрона (x, y, z) излучение должно быть симметричным – так считают учёные, исходя из  принципа относительности – т.е. в противоположные стороны будет излучаться одинаковое количество энергии. В системе отсчёта самих экспериментаторов (ξ, η, ζ) излучение в направлении движения электрона должно быть интенсивнее, что наблюдается в действительности и вроде бы таким образом подтверждает Эйнштена. Но здесь есть одна маленькая заковырка, которая лишает всякой силы релятивисткий принцип относительности.

Потери энергии через излучение заставляют физиков прибегать к дополнительному ускорению электронов. Кроме того это делается циклически в радиочастотных полостях («Radio Frequency Accelerator Cavity»), если ускоритель, так называемое «накопительное кольцо» («Storage ring»), специально предназначен для производства синхотронного излучения.  С другой стороны ускорение автоматически означает увеличение скорости. Логически тогда можно предположить, что во время излучение происходит обратный процесс – уменьшение скорости, т.е. торможение.

Эйнштейн исходил из того, что тело после излучения световых вспышек в противоположные стороны сохраняет свою скорость:

«При этом тело остается в покое относительно системы (x, y, z)
На практике же после излучения очередной порции синхотронного излучения электроны теряют скорость в лабораторной системе отсчёта, по Эйнштейну (ξ, η, ζ). Таким образом «относительно системы (x, y, z)» электроны испытывают ускорение в противоположном направлении к движению этой системы отсчёта, что означает, что они не остаются в покое, как это предпологал Эйнштейн, исходя из своего принципа относительности.

Был бы Эйнштейн прав, тогда участки дополнительного ускорения в накопительном кольце были бы не нужны. Один раз в синхротроне разогнанные электроны сохраняли бы свою скорость в накопительном кольце, так как энергия для излучения черпалась бы из массы электронов. Они излучали бы излучали, пока бы нерасходовали всю массу и исчезли… Так как они имеют заряд, то и он вместе с ними пропал бы, чем был бы нарушен закон сохранения заряда.

Имеем полный провал принципа относительности Эйнштейна в эксперименте!

Очевидно, что системы отсчёта движущехся электронов и покоющегося ускорителя не равнозначны и мысленные скачки между ними не приводят к адекватным результатам, соответствующим экспериментальным наблюдениям. В системе отсчёта движущехся электронов их излучение, возникающее в процессе ускорения, не может быть симметричным — как в системе отсчёта ускорителя так и там энергия излучения по направлению движения больше, чем в противоположном направлении. Система отсчёта ускорителя определяет реальную форму синхотронного излучения, которая отображается в других (наблюдательных) системах отсчета в том же виде.


Существование синхотронного излучения было впервые теоретически предсказано французким физиком Лиенаром. Основу для предскасания состовляли уравнения, выведенные им в 1898 году и двумя годами поже немецким учёным Вихертом. До сих пор исследователи продолжают пользоваться потенциалами Лиенара-Вихерта при расчётах излучения ускоренных зарядов. Собственно ничего удивительного в этом нет – однажды правильно выведенные формулы не теряют своей актуальности и через 100 и больше лет.

Однако структура электромагнитных полей Лиенара и Вихерта выглядит принципиально иначе, чем структура полей, полученных с помощью преобразований Лоренца (для наглядности на рисунках будут отображенны только электрические поля): поля Лоренца сплющены перпендикулярно к движению (рисунок внизу, слева), в то время как поля Лиенера и Вихерта имеют наибольшую плотность по направлению движения (рисунок, справа).

Само собой разумеется, что также математические выражения для этих полей выглядят по-разному. Если Лоренцово сокращение электрического поля расчитывается по формуле:

то электрическому полю Лиенара и Вихерта соответствует уравнение:

Вопрос: какие поля реальны, а какие являются фикцией? – Синхротронное излучение даёт однозначный ответ.

Чтобы механизм излучения сделать наглядным, используется модель Томсона. Её корректность подтверждается тем, что с её помощью можно непосредственно вывести формулу Лармора для излучения диполя [4]. В рамках этой модели рассматривается носитель заряда, который ускоряется в течении короткого промежутка времени, в результате чего происходит смещение линий электрического поля после ускорения по отношению к линиям электрического поля до ускорения. Как следствие появляется трансверсальная (т.е. перпендикулярная) компонента электрического поля, которая и является полем излучения. Но следует заметить, что это не совсем то же, что происходит в синхротроне. Там быстро летящие электроны отклоняются от прямолинейного курса, в резулътате чего излучение генерируется вследствии вращения сферически неравномерного поля. Так как электрическое поле Лоренца сплющено перпендикулярно к направлению движения, то вращение поля приводит к следующему смещению силовых линий:

Таким образом согласно преобразованиям Лоренца следовало бы ожидать максимальную интенсивность излучение в перпендикулярном направлении к движению электронов в системе отсчета ускорителя. Но этого не происходит – в действительности пакеты электронов излучают в направлении их движения. И именно к этому результату приводит использование модели Томсона для полей Лиенара и Вихерта:

Отсюда получаем ответ на заданный ранее вопрос: в противоположность к фиктивным полям Лоренца реальными являются поля Лиенара и Вихерта.

В «Фейнмановских лекциях по физике 6. Электродинамика», предлагается следующая интерпритация:

Мы как бы имеем свободный выбор между двумя точками зрения: «запаздывающее положение» – это как раз то, что расчитали Лиенар и Вихерт, и «истиное положение» – то, что получается по теории относительности. Однако, как мы теперь понимаем, эта свобода иллюзорна – практика подтверждает только поля Лиенара и Вихерта, т.е. точку зрения «запаздывающего положения».

Релятивисткий подход носит сугубо умозрительный характер. Можно себе представить некого стороннего наблюдателя, покоющегося в координатной системы (x, y, z) и находящегося на одинаковом расстоянии как от заряда P так и от рассматриваемого пункта (x, y, z), он видит так называемое «истинное положение», потому что сигналы от обоих мест к нему приходят одновременно. Но реально и это не спасает ситуацию. На фейнмановском рисунке не указаны вектора напряжённости электрического поля, если бы речь шла о движущемся заряде. По законам электростатики они должны исходить ввиде лучей от заряда, а это значит, что в точке (x, y, z) мы будем иметь два несовпадающих вектора напряжённости, один будет иметь своим источником положение P’ а другой положение P :

Теперь представим себе в этом пункте другой заряд. Так в какую сторону будет на него действовать электрическая сила?

Дилемма не может быть разрешенна по принципу «и нашим и вашим», так как заряд один. Поэтому здесь может существовать только одна точка зрения, подтверждённая экспериментом: «запаздывающяя».


Подводя итог можно с уверенностью утверждать, что как принцип относительности Эйштейна так и преобразования Лоренца терпят полный провал в эксперименте.


Литература:

[1] Olivier Darrigol. The Genesis of the Theory of Relativity. http://www.bourbaphy.fr/darrigol2.pdf

[2] Stephen Boughn, Tony Rothman. Hasenohrl and the Equivalence of Mass and Energy. http://arxiv.org/abs/1108.2250

[3] DESY. What is SR, how is it generated and what are its properties? http://photon-science.desy.de/research/studentsteaching/primers/synchrotron_radiation/

[4] Larmor’s Formula. http://pulsar.sternwarte.uni-erlangen.de/wilms/teach/astrospace/spacechap5.pdf

Сайт автора: http://worlov.ucoz.ru/


Похожие статьи

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *