Логофизика. К эффекту Доплера

Перевод статьи на английский язык, любое использование опубликованного в статье материала и упоминание о статье в англоязычных публикациях без разрешения автора запрещается!


1.
Если мы представим себе систему, в которой находятся неподвижные друг относительно друга источник излучения (испускает звук, свет, радиосигнал и т.п.) и на большом расстоянии от него приёмник (наблюдатель) этого излучения, то при движении хотя бы одного из них – источника или приёмника – восприятие наблюдателя-приёмника изменяется за счёт эффекта Доплера, проявляющегося в материальной среде. Это эффективное явление заключается в изменении частоты излучения (и длины волны данного излучения, соответственно), воспринимаемого наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения относительно него или, наоборот, вследствие его (приёмника) движения относительно неподвижного источника.

Когда источник звука, света или другого излучения перемещается, он продолжает своё излучение (испускает звук или свет и т.п.) с той же постоянной частотой, но восприятие его воздействия средой и, в том числе, наблюдателем изменяется – оно становится более или менее информативным, в зависимости от направления его (источника) перемещения относительно приёмника: волны излучения приходят к наблюдателю – приёмнику излучения – чаще, если источник движется в его сторону, и реже, если источник движется от него в другую сторону. То же самое, практически, происходит, когда приёмник (наблюдатель) перемещается относительно неподвижного источника излучения в его сторону или от него – восприятие наблюдателя становится, соответственно, более или менее информативным, в зависимости от направления перемещения: наблюдатель – приёмник излучения –  встречает волны излучения чаще, если он движется в сторону источника, и реже, если движется от него.

Возникновение и проявление данного эффекта зависит от таких параметров как расстояние между источником и приёмником излучения (большое или малое относительно длины волны постоянного излучения), направление и скорость перемещения источника относительно приёмника (или, наоборот, приёмника относительно источника), угловая скорость обращения одного из них вокруг другого, плотность и однородность по составу среды, в которой излучается и принимается звук, свет и т.п., и, конечно, сам вид излучения – звук или свет и т.п.


2.
Итак, представим себе систему, в которой неподвижный источник что-то излучает (испускает звук, свет, тепло или радиосигналы), а на большом расстоянии от него неподвижный приёмник (наблюдатель) воспринимает это излучение с той же самой частотой (f), равной отношению скорости (c) излучения, то есть скорости звука, света или прочих воздействий, к длине его волны (r):
f = c/r.
Точно также – с той же самой частотой излучения – приёмник воспринимает излучение источника, если источник медленно (с небольшой угловой скоростью) обращается вокруг него на неизменном большом расстоянии, то есть по окружности с постоянным радиусом. А также, если, наоборот, сам приёмник обращается вокруг источника постоянного излучения на неизменном большом расстоянии, то есть по окружности, с небольшой угловой скоростью. Если же приёмник вращается вокруг источника по эллипсу, как, например, планета-приёмник вокруг Солнца-источника, то уже для этой планеты, воспринимающей излучение, возникает эффект Доплера.

Надо ещё пояснить, что любое излучение является процессом, а любой процесс состоит из действий. Поэтому, говоря о частоте излучения, мы всегда подразумеваем частоту (f) необходимости очередного действия процесса. Эта частота является величиной, обратной времени (t) действия, которое в физике именуют периодом волны,
f = c/r = 1/t.
Соответственно, под длиной волны (r) в физике понимается расстояние протяжённости действия в пространстве, а под скоростью (c) волны – скорость действия, или, точнее, скорость передачи энергии, потому что само действие заключается в передаче энергии в материальной среде. То есть действие – это передача энергии определённым материальным объектом, являющимся частью среды (частицей), на определённое расстояние за определённое время. Поэтому скорость (c) передачи энергии в каждой среде зависит от способности её объектов двигаться в своей среде, например, в воздухе звук передаётся молекулами газа с одной скоростью, а в воде – молекулами воды с другой скоростью, а свет передаётся уже атомами газа или жидкости тоже с разными скоростями, в зависимости от этих сред.


3.
Расстояние между источником излучения и приёмником должно быть на много порядков или, как минимум, на порядок больше длины волны излучения, так как на малом расстоянии эффект Доплера может не проявиться – среда его кратко воспримет, но наблюдатель просто не успеет его ощутить или осознать. Так что теперь представим систему, в которой излучающий источник движется, а именно, перемещается со скоростью «v» в сторону неподвижного наблюдателя, находящегося от него на большом расстоянии, или, наоборот, в обратную от наблюдателя сторону, увеличивая расстояние ещё больше. Наблюдатель (приёмник) в этом случае воспринимает излучение с частотой (f1), изменившейся относительно постоянной частоты (f0) излучения, – она повышена при приближении источника (значит, восприятие учащается)
(f1)1 = f0*c/(c-v),
и понижена при его удалении (значит, восприятие происходит реже)
(f1)2 = f0*c/(c+v).

Подобным же образом можно представить систему, в которой излучающий источник неподвижен, а движется, то есть перемещается в его сторону со скоростью «v» приёмник (наблюдатель), находясь пока ещё на большом расстоянии, или, наоборот, приёмник перемещается в обратную от источника сторону, увеличивая расстояние между ними. Приёмник в этом случае воспринимает излучение с частотой (f2), также изменившейся относительно постоянной частоты (f0) излучения, – она выше при приближении приёмника к источнику (восприятие наблюдателя учащается)
(f2)1 = f0*(c+v)/c,
и ниже при его удалении (восприятие наблюдателя происходит реже)
(f2)2 = f0*(c-v)/c.

Данные формулы носят, конечно, частный характер, так как они справедливы лишь для случаев, когда приёмник или излучатель перемещаются по линии в направлении друг к другу или друг от друга. Однако, основываясь даже на подобных представлениях, Олег Акимов, окончательно уточнивший уже в наше время, в конце 20 века, вид формул Лоренца, описывающих Доплер-эффект для любых направлений движения источников и приёмников, делает вывод, что в эффекте Доплера нарушается принцип относительности движения: «…по измеренным параметрам волнового процесса всегда можно определить, что относительно чего движется, – либо источник движется относительно приёмника, либо приёмник движется относительно источника, другими словами, движение источника и приёмника носит абсолютный характер» (О.Е.Акимов. Естествознание: Курс лекций. Лекция 4. Эффект Доплера. http://sceptic-ratio.narod.ru/fi/es4.htm)

Акимов, видимо, не учёл главного условия принципа. Напомним, что принцип относительности Галилея состоит в том, что, находясь в замкнутой системе, невозможно определить, находится ли эта система в покое или в равномерном прямолинейном движении с постоянной скоростью, если на неё не действуют никакие сторонние силы, или если все сторонние силы, приложенные к системе, компенсируют друг друга. Так что, если мы любой из выше разобранных случаев начнём проверять на соответствие принципу относительности, то должны посчитать замкнутой систему, в которой приёмник движется относительно источника или источник перемещается относительно приёмника. А сделать этого мы не имеем права, потому что рассматриваем не только механическое движение приёмника или источника в системе, но и волновой процесс, заключающийся в движениях среды, которая сразу подразумевает систему, увы, незамкнутой. Так что ни о каком абсолютном движении в эффекте Доплера речь идти не может.


4.
Снова представим систему, в которой источник излучения начал двигаться со скоростью «v» в сторону неподвижного наблюдателя или, наоборот, в обратную от наблюдателя сторону. Наблюдатель (приёмник) начинает воспринимать излучение с изменившейся частотой (f1), относительно воспринимавшейся до того постоянной частоты (f0) излучения неподвижного источника. При достижении постоянной скорости (v) перемещения источника с самого начала его движения данное изменение частоты как отдельный процесс можно охарактеризовать скоростью изменения (А), равной отношению разности частот («f1-f0» при приближении или «f0-f1» при удалении) ко времени действия (t), которое, в свою очередь, определяется как отношение длины (r) волны к её скорости (c) в постоянном излучении, то есть к скорости действия,
А = (+\-)(f1-f0)/t,
где f0 = c/r – постоянная частота излучения источника, то есть частота действий процесса излучения,
f1 = c/(r-s) или f1 = c/(r+s) – частота восприятия приёмника при перемещении источника, то есть частота действий процесса восприятия; частота повышается при приближении источника излучения к приёмнику (длина волны при этом уменьшается до «r-s») и понижается при удалении источника излучения от приёмника (длина волны при этом увеличивается до «r+s»),
r = ct = nd – длина волны в излучении, то есть расстояние протяжённости действия в излучении,
d – фундаментальная длина, то есть минимальное расстояние действия в пространстве,
s = vt = rv/c = md – расстояние, преодолеваемое источником излучения при перемещении к приёмнику или от приёмника с постоянной скоростью «v» за время «t» одного действия в процессе излучения,
c – скорость волны в излучении, то есть скорость действия в данном процессе,
v – скорость перемещения источника излучения,
t = r/c = s/v – время действия в процессе излучения,
n – количество «фундаментальных длин» в длине волны при излучении,
m – количество «фундаментальных длин» в расстоянии, преодолеваемом источником излучения при перемещении к приёмнику или от приёмника с постоянной скоростью за время одного действия в процессе излучения.

С подстановкой заявленных переменных параметров, скорость изменения частоты восприятия при приближении источника излучения к приёмнику выражается формулами
Априбл= (f1-f0)*c/r = (vc/r^2)*m/(n-m) = ((f0)^2)*m/(n-m),
и лишь одним знаком (+) отличается от скорости изменения частоты восприятия при удалении источника излучения от приёмника, выражаемой формулами
Аудал= (f0-f1)*c/r = (vc/r^2)*m/(n+m) = ((f0)^2)*m/(n+m).
Подобные формулы, выведенные из эффекта Доплера, возможно, найдут применение при объяснении процессов в пространстве атома. Пока неясно.


5.
Удивительно, но за огромный период в почти два века, прошедших со времени открытия Кристианом Доплером (австрийский математик и физик 19 века) данного явления в природе, названного «эффектом» с его именем (о таком мечтает, наверно, любой исследователь и учёный), никто не отметил своим вниманием один простой факт – что эффект Доплера может выражаться статично и динамично. При равномерном перемещении источника к приёмнику с постоянной скоростью или, наоборот, при равномерном перемещении приёмника к источнику, а также при перемещениях приёмника от источника или источника от приёмника, то есть при расположении источника и приёмника излучения (наблюдателя) НА ОДНОЙ ЛИНИИ, ЭФФЕКТ Доплера СТАТИЧЕН. Это значит, что изменившаяся частота восприятия излучения и длина воспринимаемой наблюдателем волны постоянны, как и в случае, описанном выше во втором разделе, когда источник и приёмник неподвижны относительно друг друга. Вот оно, подтверждение принципа относительности Галилея для любых «волновых» теорий: если приёмник и источник излучения, находящиеся на огромном друг от друга расстоянии, неподвижны относительно друг друга или перемещаются по одной линии с постоянными скоростями, то невозможно определить, в виду постоянства воспринимаемой частоты (и длины волны), находятся они относительно друг друга в состоянии движения или в состоянии покоя!

Зато, при равномерном перемещении источника с постоянной скоростью относительно приёмника под углом к направлению на приёмник или, наоборот, при равномерном перемещении приёмника относительно источника, под углом к направлению на источник, то есть при расположении источника излучения и приёмника (наблюдателя) излучения в их относительном движении В ОДНОЙ ПЛОСКОСТИ, НО НЕ НА ЛИНИИ, ЭФФЕКТ Доплера ДИНАМИЧЕН. Это значит, что частота восприятия излучения и длина воспринимаемой наблюдателем волны непостоянны, то есть постоянно изменяются, в определённой зависимости от изменения угла между направлением перемещения и направлением друг на друга. До достижения положения приёмника под прямым углом к линии движения источника (или, наоборот, до достижения положения источника под прямым углом к линии движения приёмника) обе эти величины (частота и длина волны) изменяются по одному правилу (по одним формулам), а затем в процессе перемещения источника или приёмника продолжают изменяться уже по другому правилу (по другим, соответствующим формулам).
Эти правила выводились учёными более века назад, и окончательно уточнил выведенные формулы три десятка лет назад Олег Акимов (ссылка на его лекцию дана выше в третьем разделе). На сайте Проза.ру к процессу выведения этих формул есть рисунки, представленные в статьях Вадима Дунаева («Эффект Доплера» http://proza.ru/2014/11/25/849 и др.).

Повторим ещё раз определение эффекта Доплера, данное в первом разделе. «Это явление заключается в изменении частоты излучения, воспринимаемого наблюдателем, вследствие движения источника излучения относительно него или, наоборот, вследствие его (приёмника) движения относительно неподвижного источника. Соответствуя частоте, изменяется длина воспринимаемой наблюдателем волны данного излучения».
Исходя из этого определения, «Доплер-эффект» как «изменение частоты и длины волны» может в одних условиях выглядеть динамичным процессом, а в других – явлением, то есть «картинкой процесса», «застывшим» (неизменным, статичным) процессом. Статичный процесс описывается постоянной скоростью воспринимаемых волн и другими постоянными величинами, а динамичный процесс – изменяющимися величинами и непостоянной скоростью воспринимаемых волн излучения, то есть их ускорением. Но если земные астрономы, например, определяя параметры звёзд и галактик в окружающем нашу Солнечную систему пространстве, выясняют, что значения этих параметров у многих звёзд со временем изменяются, это не обязательно означает, что звёзды удаляются от нас или неотвратимо приближаются к нам, с позиций эффекта Доплера. Звёзды, как наше Солнце и наша галактика Млечный Путь, всего лишь, возможно, обращаются относительно какого-то общего центра в пространстве с разными скоростями, в полном согласии с третьим законом Кеплера. Потому что как раз при обращении космических объектов на огромных расстояниях от центра системы их излучение будет восприниматься на Земле в виде динамического эффекта Доплера, и учёные его будут интерпретировать как приближение или удаление, хотя в действительности эти объекты, как и Солнце с Землёй, обращаются по своим стационарным орбитам вокруг одного общего центра, но с разными угловыми скоростями. А вот излучение звёзд в галактиках, которые действительно удаляются или (не дай бог!) приближаются к нам в примерно постоянном направлении, совпадающем с линией движения нашей Галактики, может интерпретироваться учёными как факт, что эти звёзды относительно нас не перемещаются и находятся в покое на постоянном от нас расстоянии, что является опасным для человечества заблуждением, серьёзной ошибкой! И виной этому всё тот же эффект Доплера.