Сделаем радикальные предположения:
- Скорость распространения электромагнитных волн всего известного диапазона частот очень близка к скорости света с, но не достигает ее
- Масса фотона крайне мала, но не равна нулю
Приравняем формулу Планка к формуле расчета релятивистской энергии через массу и скорость
Из равенства следует, что частота электромагнитной волны прямо пропорциональна релятивистской массе (жирным выделены константы). То есть при увеличении частоты вдвое, вдвое увеличивается релятивистская масса, и так далее.
Посчитаем, что свойство пропорции является подсказкой для поиска и объяснения волновой природы света и отправимся искать волновую природу света в релятивистских эффектах.
Что касается релятивистских эффектов, нам потребуются формулы из обычного учебника физики:
Сформулируем основную идею/гипотезу, сопоставив известные факты:
- Фотон в движении сопровождает электромагнитная волна
- Фотон движется на экстремально высоких скоростях
- Энергия волны пропорциональна частоте
- Частота пропорциональна релятивистской массе, то есть скорости
- На релятивистской скорости время и длина уменьшаются, а масса увеличивается на Лоренц-фактор
Попробуем найти графическое решение релятивистских эффектов, когда при движении длина и время сокращаются и при этом возникает волновой эффект.
Для удобства, рассмотрим скорость движения фотона с Лоренц фактором = 2
Эта скорость составляет 0,866 с, то есть 259 632 175 м/с. На такой скорости время и длина для фотона сократятся вдвое. То есть фотон в своей системе координат пролетит 129 816 087,5 м за 0,5с, а для наблюдателя фотон пролетает 259 632 175 м за 1с.
При этом релятивистское сжатие, по нашей логике, сопровождается волновым эффектом. Для объяснения такого поведения фотона есть достаточно простое графическое решение
Фотон в своей системе координат непрерывно движется из точки A в B, пройдя 129 816 087,5 м за 0,5с. На этом отрезке пути для фотона длина пути не сжимается и даже время течет точно также, как в системе наблюдателя. Движение происходит синхронно, одновременно.
Затем, в точке B в силу особенности Лоренц фактора сжатия длины и времени, второй участок пути для фотона сжимается в 0. Фотон не движется в пространстве и не испытывает ход времени, а после достижения точки B мгновенно перемещается в точку C. Полностью пропуская движение на отрезке B-C. На этом участке для фотона нет течения времени, фотон не проходит свой путь.
В системе координат наблюдателя в точке B исчезает фотон что сопровождается эффектом пространственного возмущения, регистрируемого как полуволна. А в точке появления фотона C возникает второе возмущение = вторая полуволна.
В нашем примере Лоренцево сокращение длины происходит «рывками», когда частица сначала непрерывно преодолевает ½ часть пути, а вторая часть пути сжимается в 0. И в этом случае возникает волновой эффект.
С другой стороны, волновой эффект можно считать подтверждением того, что Лоренцево сокращение длины происходит именно дискретно, т.е. рывками.
Отобразим картинку для Лоренц фактора 4, захватим диапазон двух секунд для подробного разбора цикла. Длина и время при этом сокращаются в 4 раза.
На скорости 290 251 719м/с фотон преодолевает участок в ¼ пути 72 562 929м м, но при этом частота по пропорции удваивается. Следовательно, на пути 290 251 719м, фотон дважды исчезает на этом отрезке, проходя каждый раз 36 281 464,93 метров.
Для наблюдателя, в каждом цикле Лоренцева движения фотона, фотон преодолевает часть пути в виде частицы, затем по причине Лоренцева сжатия длины, исчезает. В точках исчезновения и появления фотона возникают возмущения пространства, наблюдаемые/регистрируемые как электромагнитная волна.
Каждое появление фотона в пространстве дает одно колебание электромагнитной волны. Длина волны есть расстояние между появлениями фотона.
Фотон в своей системе координат никуда не исчезает, а продолжает непрерывное прямолинейное движение. Еще один рисунок для разъяснения:
Движение фотона на отрезке AD в своей системы координат непрерывно на всем пути (верхняя часть рисунка).
Но в системе координат наблюдателя фотон пролетает участки пути AB и CD, полностью отсутствуя на участках BC и DE.
Особенность сжатия времени и пространства в нашем предположении заключается в том, что 1/8 часть пути (в примере Лоренц-фактором 4) фотон движется одинаково с системой наблюдателя, т.е. проходит одинаковое расстояние за одинаковое время, в двух системах координат. Но эффект сжатия реализуется таким образом, что в системе фотона следующие 3/8 участка пути наблюдателя сжимаются в 0 (красная линия). Фотон не тратит время на прохождение этого участка, а возникает сразу после него чтобы пройти еще 1/8.
Волновой эффект в данной гипотезе помогает нам разобраться с тем, как именно происходят Лоренцевы сокращения длины и массы!
Масса и энергия
Если с геометрией и временем мы разобрались, то с массой сложнее. Гипотеза в гипотезе. Продолжаем на примере Лоренц фактора 4.
Имеем идею, что фотон массой 4м исчезает в точке B и появляется в точке C. Но что же именно в этом случае электромагнитная волна? Откуда берутся колебания? Что колеблется? Какие "возмущения пространства"?
Поскольку данный материал = гипотеза, а не учебник по эффектам Лоренца, сделаю еще одно предположение о том, что же происходит на самом деле.
Для возможности движения на определенной релятивистской скорости, фотон должен иметь определенный накопленный запас энергии, который требуется для «перепрыгивания» длины/времени. По логике изложения, при Лоренц факторе 4 для фотона массой 1m этот необходимый запас энергии составляет 3𝑚с^2. Воспользуемся термином «туннель» для описания «перепрыгивания» длины/времени.
Энергия 3𝑚с^2 требуется для того, чтобы обеспечивать туннельный переход из точки B в точку C и из D в E. При входе в туннель фотон затрачивает энергию 3𝑚с^2, при выходе из туннеля фотон возвращает эту энергию обратно.
В точке B возникает «положительный» энергетический всплеск 3𝑚с^2 (электромагнитный), а в точке C – отрицательный −3𝑚с^2. Это и есть электромагнитная волна, которую принято отображать примерно так:
Только в нашей гипотезе форма электромагнитной волны не такая красивая, просто на траектории движения возникают импульсные всплески энергии в начале и конце длины волны.
Мне очень интересно, какая именно часть волны отображает положительную энергию, а какая отрицательную. Например, вверх-вправо это положительные 3𝑚с^2, а вниз-влево -3𝑚с^2. Также достаточно любопытен тот факт, что энергия раскладывается на электрическую и магнитную составляющие.
Кстати, для Лоренц-фактора 4, в нашем примере длина волны составит 145 125 859,73 (но это ещё не точно).
Мысль о том, что фотон массой m именно выполняет туннельный переход, а не полный цикл «переход 4m в энергию – переход энергии в частицу 4m» обоснована исключительно тем, второй вариант выглядит сложнее. А именно, более сложным выглядит вариант, когда из энергии на выходе из туннеля получается частица фотон, который в общем-то может иметь сложное внутреннее строение.
Кроме того, как мы разобрали выше, два из трех эффектов Лоренца на самом деле объясняются не непонятными «сокращение длины» и «замедление времени» а простым туннельным эффектом, в то время как на участке движения фотона "вне туннеля" с длиной и временем ничего не происходит.
Тогда почему бы и масса фотона не должна соответствовать классической физике, т.е. оставаться постоянной массой m, тогда как релятивистское увеличение массы есть приращение потенциальной энергии, без которой движение на высоких скоростях невозможно.
Время
В логике гипотезы получается, что время в любом направлении движения фотона "прикреплено" ко всем трем измерениям. Двигаясь через туннель, фотон пропускает ровно такую же порцию расстояния и времени, как и наблюдатель в своей системе.
Примечание
Если вам, как и моему коллеге Дмитрию, кажется необычным, что в изложении данного материала фотон способен преодолевать часть длины волны мгновенно, давайте сравним это утверждение с общепринятой версией.
Согласно классике, при движении фотона на скорости с, любое расстояние для него сжимается в 0 и он преодолевает его за 0 секунд – согласно формулам из того самого учебника физики - см. выше. Это расстояние может составлять хоть 100м, хоть 1000км, хоть всю Вселенную.
А теперь сравним две версии.
Классика: фотон преодолевает всю вселенную за 0 секунд, при этом:
- оставляет след своего пути в виде электромагнитной волны
- испытывает линзирующие эффекты, проходя рядом с черными дырами
- рискует врезаться в космический объект где-то пути.
Как такое возможно объяснить, если для самого фотона весь путь составляет 0 метров и проходит он его за 0 секунд?
Добавляем эти недоразумения к списку актуальных вопросов по природе света.
Гипотеза: фотон на своем пути:
- преодолевает часть своего пути частицей, но большую часть через туннели
- оставляет возмущения в пространстве наблюдателя в точках «-» и «+» в виде электромагнитной волны
- испытывает в моменты появления на траектории движения гравитацию черной дыры
- рискует врезаться в космический объект, не достигнув края вселенной.
- затрачивает на свой путь время, пропорциональное 1/f
То есть гипотеза более понятно поясняет поведение фотона, чем общепринятая классика.
Привязка координат
Чем выше Лоренц фактор, тем большее количество раз повторяется цикл туннелирования фотона (частота) и тем меньшую часть дистанции в системе наблюдателя фотон проходит как частица, а большую часть проходит «в туннеле», оставляя в местах входа/выхода энергетические выхлопы.
Например, для Лоренц-фактора 1000, фотон проходит 1/1000 длины волны как частица и 999/1000 длины волны через туннель.
В примерах на предыдущих слайдах, на картинках отображено, что при Лоренц-факторе 2 частота f = 1 (и, как следствие, при Лоренц факторе 4 частота f = 2) и так далее. Но этот момент требует проверки и корректировки.
Давайте проанализируем диапазон возможных частот для низких значений релятивистских скоростей
На скоростях от 0 до 259 632 175м/с Лоренц фактор увеличивается от 1 до 2
Поведение частоты f на таком же диапазоне скоростей сложнее оценить, но наверняка можно утверждать, что на скорости 0 частота равна 0. При этом держим в уме принцип пропорциональности частоты и Лоренц фактора.
На какой-то скорости, при которой начинают действовать Лоренцевы эффекты, возникает эффект туннеля с частотой, равной 1, то есть ровно одно исчезновение фотона на расстоянии, которое фотон преодолевает за 1 сек.
Далее должен работать принцип пропорциональности частоты Лоренц фактору
*Скорее всего, на малых частотах, эффект Лоренца сглажен/менее дискретен
Предположим, что на скоростях, близких к 0м/с частота лежит в пределах 0 – 1Гц. При крайне оптимистичном предположении о том, что на скорости 0м/с при Лоренц факторе = 1 частота равна 1, при Лоренц факторе 2 частота будет равна 2 Герцам – это максимально возможное значение, которое следует из правила пропорции. Скорее всего, частоты на скорости Лоренц фактора 2 меньше 2 Герц.
Требуется найти точку частоты 1 Гц в диапазоне скоростей от 0 до 259 632 175м/с
Такой потенциально возможной точкой является скорость, при которой начинает работать правило электромагнитной волны, когда при увеличении частоты, длина волны начинает сокращаться. Т.е. нужно найти экстремум функции v∗√(1 − 𝑣^2/𝑐^2 )
Это скорость при Лоренц факторе √2 = 1,414, или 211 990 000 м/с
Тогда при Лоренц факторе 2 частота равна 1,414Гц, а длина волны на такой частоте составит 183 582 657 метров.
Масса фотона
Мы ожидали, что масса фотона – чрезвычайно малая величина
Воспользуемся формулой и рассчитаем массу фотона:
Для 𝑓 = 1,414 и 𝑣 = 259 632 175, рассчитаем массу фотона = 5,213*10^(−51)
Для любителей формул, масса фотона составляет
Скорости электромагнитных волн
Рассчитаем скорости некоторых известных видов электромагнитных волн и отличие этих скоростей от предельной скорости 𝑐
Для этого, выведем формулу расчета скорости 𝑣 от частоты 𝑓
или, если заменим массу фотона в формуле:
Приведем расчеты для некоторых известных видов волн в табличке:
Для большинства известных видов электромагнитных волн, особенно, начиная с радиочастот, скорости распространения действительно очень близки к 𝑐. При этом, согласно гипотезе, масса фотона не равна нулю.
Неудивительно, что до сих пор считается, что скорость света это константа для всего диапазона частот электромагнитных волн.
Сложно, но можно попытаться подтвердить гипотезу о разной скорости электромагнитных волн на сверхдлинных волнах, или еще более длинных. Такой эксперимент при современном развитии технологий вполне может показать разницу.
Что с метром
Современное определение метра в терминах времени и скорости света было принято XVII Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1983 году.
Метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени за 1/(299 732 458) секунды.
Мне не удалось обнаружить информацию о том, какую именно частоту света использовали на XVII Генеральной конференции для определения метра.
Но.
Например, если была использована частота 563ТГц, то получается, что скорость распространения гамма излучения превышает текущую мировую константу 𝑐 примерно на 0,00000000000000000000016726 м/с.
Выводы
Спектр скоростей электромагнитных волн, масса фотона, рассчитанные по гипотезе не противоречат современным наблюдениям, при этом гипотеза:
- Описывает механизм возникновения электромагнитной волны
- Обосновывает расчет энергии электромагнитной волны через массу фотона и его скорость. Фотон приобретает не только релятивистскую, но и обычную массу.
- Разъясняет принцип корпускулярно-волновой механизма на примере фотона
- Альтернативно разъясняет причину возникновения красного/синего смещения
- Гипотеза может быть применима и при рассмотрении квантовых эффектов
Красное и синее смещение
Согласно гипотезе, скорость распространения видимого света, излучаемого галактиками, меньше с, значит, красное смещение возможно объяснить удалением галактики от наблюдателя на Земле, а синее – приближением по известной формуле релятивистского сложения скоростей:
Где 𝑢 – регистрируемая скорость излучения электромагнитной волны, 𝑢^г - скорость галактики (удаляющейся или приближающейся), а 𝑣 – исходная (эталонная) скорость распространения электромагнитной волны заданного спектра
Если красное/синее смещение возможно объяснить известной формулой, то расширяется ли пространство Вселенной?
Корпускулярно-волновой дуализм
Поведение фотона/света как частицы или электромагнитной волны отлично объясняется изложенным на предыдущих слайдах.
Фотон-частица возникает на траектории движения каждую длину волны на 1/𝑓 части своего пути.
Остальную часть пути длины волны, а именно 1 − 1/𝑓 фотон преодолевает в туннеле, выделяя и поглощая энергию на входе/выходе из туннеля.
Соответственно, фотон может «проникать» на своем пути сквозь препятствия, если этот участок своей траектории движения фотон находится в туннеле.
Предельная скорость с
При увеличении частоты/увеличении скорости фотона, имеем сходимость.
Фотону требуется все больше энергии затрачивать на туннельный переход на все меньшее расстояние. Доля пути фотона стремится к нулю, при этом длина волны также стремительно сокращается. Что происходит в пределе - очень интересный вопрос. Но точно одно. А именно, в настоящее время константа с определена достаточно точно с погрешностью порядка 0,00000000000000000000016726 м/с., хотя точнее ее можно определить на высокоэнергетичном гамма излучении. Соответственно, и с метром все в порядке.
Возможности применения
Возможности определения расстояний до объектов в космосе, если взятый объект излучает в широком спектре электромагнитного излучения. В этом случае можно анализировать задержку распространения электромагнитных волн низких частот по сравнению с высокими, и на этом основании определять точное расстояние до объекта.
В случае подтверждения гипотезы, некоторые квантовые эффекты станет возможно объяснить через эффекты Лоренца.