Cдвиги частот квантовых осцилляторов

ИСО – инерциальная система отсчёта.
ОТО – общая теория относительности.
СО – система отсчёта.
СТО – специальная теория относительности.

1. Введение

 Обнаруживаемые на опыте релятивистские и гравитационные сдвиги частот квантовых осцилляторов считаются следствиями замедления времени для движущегося объекта и замедления времени вблизи массивных тел. Само "время" является одним из основных физических понятий, и все его свойства, в том числе и "замедление", ниоткуда не следуют. Прямые же экспериментальные доказательства замедления хода времени, строго говоря, отсутствуют, т.к. экспериментаторы всегда имеют дело не с абстрактным ходом времени, а с конкретным ходом часов.
Гришаев А.А. с единомышленниками [1] объясняют релятивистские и гравитационные сдвиги частот осцилляторов  с помощью закона сохранения энергии. Любая физическая лаборатория принимает участие в космических вращениях. Её движение, например, в результате годичного обращения вокруг Солнца, является ускоренным, поэтому имеет смысл говорить об абсолютном характере этого движения. Это приводит к соответствующему сдвигу энергетических уровней осцилляторов, что и проявляется как релятивистский сдвиг его частоты. При таком подходе сдвиги частот становятся однозначно предсказуемыми, а парадокс часов не возникает.
Аналогично,  в окрестностях массивных тел любая физическая лаборатория находится в определенном гравитационном потенциале, сформированном в результате наложения имеющихся потенциальных ям. Логично предположить, что такой потенциал существенно влияет на собственную энергию локально-покоящихся осцилляторов, а, значит, и на их частоты. Понижение частоты приводит к красному смещению спектра излучения.

2. Локальная и глобальная скорости пробного тела

Понятие "абсолютная скорость пробного тела" не имеет физического смысла, пока речь идет о теле, находящемся в неискривлённом пространстве-времени. Ситуация кардинально изменяется, если пробное тело находится в окрестности массивного тела. При этом градиент кривизны пространства-времени является тем вектором, по отношению к которому вектор скорости пробного тела имеет конкретный физический смысл. Эта скорость, которую мы будем называть локальной, имеет в локальности абсолютный характер, о чем свидетельствуют, в частности, результаты экспериментов с перевозимыми атомными часами.
Расчет релятивистского замедления времени при сличениях транспортируемых часов зависит от того, какие часы считать движущимися, а какие – покоящимися, что приводит к известному парадоксу часов. На практике такого парадокса нет – надо просто перед и после транспортировки сличать часы в одной и той же точке, пусть даже и в разных местах. Тогда расхождение часов будет однозначно.
В СТО двигавшимися считаются те часы, которые испытывали ускорения. Однако, в эксперименте Хафеле и Китинга [2], осуществивших первую кругосветную воздушную транспортировку атомных часов, расчет в системе отсчета Земля оказался неверным. Это подтверждает вывод Айвса [3] и Бильдера [4] о том, что учёт только относительного движения часов, вообще говоря, недостаточен.
Действительно, в эксперименте Хафеле-Китинга СО, связанная с наземными стационарными часами, была расценена как неинерциальная из-за суточного вращения Земли, и корректный расчет был выполнен авторами в геоцентрической невращающейся системе отсчета. Но ведь и эта система отсчета является неинерциальной, поскольку она испытывает годичное обращение вокруг Солнца.
В действительности имеет место иерархия СО, задаваемая иерархией сферически-симметричных искривлений пространства-времени, которая соответствует иерархии массивных тел [5]. Так, все пробные тела, локально движущиеся произвольным образом в окрестностях Земли, одинаково участвуют в более глобальном движении, годичном обращении вокруг Солнца, и т.д. Но, практически, нет необходимости использовать СО самого высокого ранга – следует найту ту систему, в которой локальные скорости адекватно соответствуют измеряемым эффектам.

3. О релятивистских сдвигах частот квантовых осцилляторов.

Частота излучения в квантовых часах определяется разностью энергий связи на том или ином уровне структурной организации вещества, например, на молекулярном или на атомарном. Как следует из модели [1], приобретение телом скорости v приводит к тому, что все его энергии связи E; изменяются следующим образом, Рис.1, (3.1.).
Частота излучения определяется по формуле Планка, Рис.1, (3.2):
Принимающий излучение наблюдатель обнаруживает сдвиг спектра в красную сторону. Сдвиг частоты (3.2) представляет собой лишь малую добавку к тому сдвигу, который обусловлен его глобальным движением. Строго говоря, в выражение (3.2) должен входить квадрат векторной суммы глобальной и локальной скоростей. Но если несколько осцилляторов участвуют в одном и том же глобальном движении, то на опыте могут проявиться лишь различия в их локальных движениях.
Действительно, запишем для частоты i-того осциллятора, Рис.1, (3.3).

где V –  скорость общего глобального движения, т.е. композиции вращений, в которых осцилляторы участвуют одинаково, а vi - скорость локального движения i-того осциллятора, которое можно рассматривать, как возмущение глобального движения. Тогда для разности частот имеем: Рис.1, (3.4).
В выражении (3.4) члены, пропорциональные скалярным произведениям глобальной и локальной скоростей, соответствуют хорошо известным сдвигам ;tS (иногда называемым саньяковскими), которые приобретают часы при транспортировке по произвольной траектории L во вращающейся системе отсчета [2] (Рис.1, (3.5))
и которые обязательно учитываются в прецизионных экспериментах с перевозимыми часами.
Что же касается сопоставления частот разнесенных в пространстве и произвольно движущихся осцилляторов, то здесь саньяковские члены являются ненаблюдаемыми, так как они компенсируются эффектами анизотропии скорости света для вращающегося наблюдателя [5], Рис.1, (3.6), где n - единичный вектор в направлении распространения света. Возвращаясь к выражению (3.4), мы видим, что на опыте может обнаружиться лишь разность частот, соответствующая разности квадратов локальных скоростей, как это и происходит в действительности.
Для корректного расчета релятивистских сдвигов частот, подходящей СО является любая из тех, которые участвуют в более глобальном движении так, что это глобальное движение является одинаковым для всех участвующих в эксперименте осцилляторов. В эксперименте Хафеле-Китинга подходящей СО наинизшего ранга была как раз геоцентрическая невращающаяся. В экспериментах на лабораторном столе (например, мёссбауэровская спектроскопия [6]) в общее глобальное движение источника и поглотителя входит также суточное вращение. Поэтому верный расчет взаимного кинематического сдвига их линий получается даже в лабораторной СО.
Изложенный подход приводит к интересному выводу. Пусть частоты двух осцилляторов, участвующих в общем глобальном движении и покоящихся друг относительно друга, совпадают. Если один из них начнёт двигаться, то его частота станет ниже, чем у покоящегося. В частности, если "неподвижным" оставлен источник излучения, а приведён в движение приёмник, принимаемая частота сдвинется вниз во втором порядке и покажется увеличенной – аномальный квадратичный эффект Доплера.
Такой эффект в действительности наблюдается в мёссбауэровской спектроскопии как при температурном сдвиге линий [7], так и при кинематическом сдвиге, получаемом с помощью ультрацентрифуги [8,9]. Есть смысл пронаблюдать аналогичное явление при выводе стандарта частоты, приёмника и аппаратуры сличений на околоземную орбиту (программа "Н-мазер в космосе" [11]). До сих пор исследования квадратичного эффекта Доплера с помощью ИСЗ проводились лишь для случая, когда на спутнике находился излучатель, а на земле – приёмник [10]. Именно такая конфигурация используется при работе спутниковых навигационных систем.

4. Гравитационные сдвиги частот квантовых осцилляторов.

Сферически-симметричные искривления пространства-времени в окрестностях массивных тел придают абсолютный характер не только кинематическим сдвигам частот квантовых осцилляторов. Каждое такое сферически-симметричное искривление пространства-времени напрямую задает пространственное распределение собственных частот локально-покоящихся квантовых осцилляторов [1]. Чем ближе осциллятор к центру тела, тем частота его меньше, Рис.1, (4.1).Заметим, что взаимных сдвигов частот квантовых осцилляторов, локально-покоящихся на различных расстояниях от центра частотного провала, достаточно для объяснения результатов экспериментов, в которых обнаруживается гравитационное красное смещение.
Согласно ОТО, вблизи массивного тела должны иметь место два эффекта: 1) одинаковые часы, находящиеся в различных гравитационных потенциалах, имеют различный ход; 2) частота света, распространяющегося в изменяющемся гравитационном потенциале, изменяется. При этом относительные величины этих двух эффектов одинаковы. Если ОТО верна, то в экспериментах по измерению гравитационного красного смещения должен наблюдаться удвоенный эффект.
Паунд и Ребка [12], впервые измерившие эффект с помощью мессбауэровской спектроскопии, полагали, что они обнаружили именно сдвиг частоты, который приобретают гамма-кванты при движении по вертикали. Однако, если источник и поглотитель гамма-квантов находятся на различных высотах, то их резонансные линии  имеют соответствующий взаимный сдвиг. Поэтому, схема эксперимента Паунда и Ребки не позволяла сделать правильный  вывод об источнике обнаруженного эффекта.
Многочисленные применения часов на бортах ИСЗ показали, что взаимные гравитационные сдвиги частот квантовых осцилляторов в веществе обнаруживаются всегда. Значит частоты квантов света совсем не испытывают гравитационных сдвигов [13,14]. К аналогичному выводу, сделанному лишь на основе внутреннего анализа ОТО, пришли также авторы [15].
Заметим, что иерархия сферически-симметричных провалов частот, соответствующая иерархии массивных тел, построена по принципу простого наложения провалов низкого ранга на склоны более высоких рангов. Если сравниваемые осцилляторы находятся в локальном провале, то главный вклад во взаимный гравитационный сдвиг их частот обусловлен, как правило, локальным склоном , как в эксперименте Паунда и Ребки. Иная ситуация имеет место, например, при измерении на Земле гравитационного сдвига линий излучения Солнца – главный вклад в этот сдвиг обусловлен не земным, а более глобальным солнечным склоном.
Обнаруживается принципиальная разница между физическими проявлениями гравитации и так называемыми силами инерции при ускоренном движении. Гравитация формирует градиент частот квантовых осцилляторов в веществе, но не вызывает механической деформаций вещества. Ускорения же при воздействии сил инерции, наоборот, сопровождаются механическими деформациями, но не оказывают влияния на частоты (кинематич. сдвиги частот зависят лишь от скорости, но не от ускорения).
Негравитационное силовое воздействие порождает пространственные деформации вещества, а гравитационное – деформации частотные. Например, в теле, покоящемся на поверхности Земли, частотные деформации из-за действия гравитации уравновешены механическими деформациями из-за действия опоры или подвеса. Это принципиальное различие в способе сообщения ускорения телу вынуждает нас отказаться от принципа эквивалентности сил инерции и тяготения.
Частотные и механические деформации легко различимы на опыте, что даёт возможность автономно, в лифте без окон и дверей, отличать негравитационные силовые воздействия от гравитационных.
 
5. Заключение

1. На протяжении всей истории физики ведутся поиски наилучших практических СО, в которых следует измерять положения и скорости тел. Привязаться к эфиру пока невозможно, а физические взаимодействия ИСО подрывают их практическую ценность.
Удобным ориентиром, по отношению к которому следует определять локальные положения и скорости пробных тел, является локальный градиент кривизны пространства-времени. Он, к тому же, легко обнаруживается в окрестностях массивных тел механическими и электромагнитными средствами.
2. Гравитационные сдвиги собственных частот квантовых осцилляторов определяются их местоположением в иерархии сферически-симметричных искривлений пространства-времени массивных тел.
3. Релятивистские сдвиги собственных частот квантовых осцилляторов являются функциями их скоростей.
4. Положение СТО Эйнштейна об отсутствии в природе избранных систем отсчёта неверно – они существуют и имеют большое практическое значение.
5. Принцип эквивалентности сил инерции и гравитации ОТО Эйнштейна неверен по той простой причине, что механическое и гравитационное ускорение тел оказывает на физические тела заметно разное воздействие.
Сказанное выше, на мой взгляд, следует рассматривать пока как приглашение к диспуту. Время, покажет, кто прав и насколько.

Источники информации

1. Гришаев А.А. О природе релятивистских и гравитационных сдвигов частот квантовых осцилляторов. ГП ВНИИФТРИ, http://newfiz.narod.ru/rg-shifts.html. 
2. Ives H.E. Journ.Opt.Soc. Amer., 27 (1937) 305.
3. Builder G. Australian Journ.Phys., 11 (1958) 279.
4. Grishaev A.A. Phys.Chem.Earth (A), 24, 8 (1999) 727.
5. Ashby N., Allan D.W. Radio Sci., 14, 4 (1979) 649.
6. Sherwin C.W. Phys.Rev., 120, 1 (1960) 17.
7. Dash J.C., et al. Phys.Rev.Lett., 5, 4 (1960) 152.
8. Hay H.J., et al. Phys.Rev.Lett., 4, 4 (1960) 165.
9. Champeney D.C., Moon P.B. Proc.Phys.Soc., A77, 494 (1961) 350
10. Harkins M.D. Radio Sci., 14, 4 (1979) 671.
11. Burca G., et al. Preprint Proc. 23-rd PTTI Application and Planning Meeting. Pasadena, Dec.1991. Vessot R.F.C., ibid.
12. Pound R.V., Rebka G.A. Phys.Rev.Lett., 4 (1960) 337.
13. Гришаев А.А. О возможном нарушении принципа соответствия при гравитационных сдвигах частот. Доклад на 10-й Российской гравитац конференции. Владимир, 20-27 июня 1999. Тезисы, с.144.
14. Grishaev A.A. Report for 31-st Annual PTTI Systems and Applications Meeting. Mariott's Laguna Cliffs Resort, Dana Point, California. Dec. 7-9, 1999. Abstracts, p.31.
15. Окунь Л.Б., Селиванов К.Г., Телегди В.А. УФН, 169, 10 (1999) 1141.   
      http://newfiz.i-connect.com
                02.03.2015