Скорость света в одном направлении ...

[Simonov]

Доброго времени суток!

Вот уже несколько лет стараюсь отслеживать в интернете альтернативные теории электродинамики. В подавляющем большинстве они вызывают, конечно, только улыбку, но есть и такие к которым подкопаться сложно, да и классическая электродинамика Максвелла увы не безгрешна. Все эти теории либо согласуются с существующим опытом, либо предлагают иные трактовки результатов тех же опытов. Для подтверждения или опровержения всех этих теорий необходим ОПЫТ, но никто из авторов этих теорий не утруждает себя его постановкой либо описанием.

Одним из камней преткновения является скорость света точнее её относительность. Конечно было поставлено множество опытов по измерению скорости света (опыт Майкельсона-Морли, Физо, Саньяка), но результаты этих опытов на данный момент умеют трактовать в свою пользу сторонники всех существующих теорий. Однако, практически все альтернативные трактовки основаны на прохождении светом в этих опытах замкнутого пути.

Естественно возникает вопрос, а измерялась ли скорость распространения света в одном направлении (точнее сравнивалась ли скорость прохождения света туда и обратно по ходу вращения земли и против, к примеру). Задавшись этим вопросом я попытался найти ссылки и описание подобных опытов. Поиски в интернете оказались неудачными: либо повторялись предыдущие опыты, но с большей точностью, либо при измерении скорости распространения использовались одни "часы", то есть свет то распространялся в одну сторону от лазера до приёмника, но сигнал с приёмника возвращался по кабелю к передатчику и там происходило сравнение, что суть есть тот же замкнутый контур.

Неудачные попытки найти информацию о подобном опыте (опыт Стефана Маринова не выдерживает критики, но это отдельная тема) навели на мысль самостоятельно его поставить. Тем более, что современная элементная база позволяет получать частоты на термостатированных или термостабилизированных кварцевых резонаторах со стабильностью от десятков до единиц ppb, что позволит измерить скорость до долей м/с, а скорость движения поверхности земли на моей широте около 270 м/с.

Но прежде чем начать собирать установку, решил, всё же, поинтересоваться у людей с физикой дружащих, не проводились ли подобные эксперименты и если проводились, то хотелось бы иметь подробную информацию.

[Виктор Ширшов]

Simonov в сообщении #281851 писал(а):

скорость движения поверхности земли на моей широте около 270 м/с.

Simonov. Значит, Вы живёте между 54-55-й параллелью. К примеру, в Рязани или Уфе.

[Simonov]

Живу я в Челябинске, но это не важно. Хотелось бы получать ответы по заданной теме, а не флуд.

P.S.
Я бы не стал интересоваться "мировым опытом" если бы на сборку и отладку установки не требовалось больших временных ресурсов, но как трезвомыслящий человек я понимаю, что на это уйдёт до года времени.

[tilin]

Может не совсем по теме, но в "берклеевский курс физики том 1 глава 10 часть 7 "Предельная скорость"" описан опыт по разгону электронов и определения их скорости исходя из нагревания мишени и пересчета энергии на нагревание в скорость электрона при ударе. Вот график зависимости скорости от кинетической энергии:



хорошо видно, что она стремится к $c$

[kkdil]

tilin в сообщении #282393 писал(а):

описан опыт по разгону электронов и определения их скорости исходя из нагревания мишени и пересчета энергии на нагревание в скорость электрона при ударе.

Опыт Бертоцци.
Только скорость измерялась прямым делением пути на время, а суть состояла именно в том, что зависимость кинетической энергии от скорости не соответствует классической формуле. К текущей теме метОда неприменима - хромает синхронизация часов.

[PapaKarlo]

Simonov в сообщении #281851 писал(а):

Естественно возникает вопрос, а измерялась ли скорость распространения света в одном направлении (точнее сравнивалась ли скорость прохождения света туда и обратно по ходу вращения земли и против, к примеру).

А как Вы себе представляете постановку такого опыта? Как измерить время прохождения? Хорошо, когда измеряется интервал времени между двумя событиями, происходящими (приблизительно) в одной и той же точке пространства - в этом случае используются одни и те же часы. Если же возникает потребность измерить интервал времени между пространственно разнесенными событиями, то требуются двое часов etc.

Конечно, можно представить себе систему зеркал, расположенных вдоль земной параллели - в районе полюса получится нечто вроде опыта Саньяка, только при очень малой угловой скорости СО. Хм, интересно, не делали ли подобных опытов?

[Виктор Ширшов]

Simonov в сообщении #281851 писал(а):

Естественно возникает вопрос, а измерялась ли скорость распространения света в одном направлении (точнее сравнивалась ли скорость прохождения света туда и обратно по ходу вращения земли и против, к примеру).

Наверное, Simonov в направлении движения Земли и против опыты по определению скорости света уже провёл. Осталось, проверить их результаты "туда и обратно по ходу вращения земли"

[tilin]

kkdil писал(а):

Опыт Бертоцци.
Только скорость измерялась прямым делением пути на время, а суть состояла именно в том, что зависимость кинетической энергии от скорости не соответствует классической формуле. К текущей теме метОда неприменима - хромает синхронизация часов.

Ну да кривая приближения к "с" получена экспериментально, но главное здесь не определение "с", а не превышение "с".

PapaKarlo в сообщении #282425 писал(а):

А как Вы себе представляете постановку такого опыта? Как измерить время прохождения? Хорошо, когда измеряется интервал времени между двумя событиями, происходящими (приблизительно) в одной и той же точке пространства - в этом случае используются одни и те же часы. Если же возникает потребность измерить интервал времени между пространственно разнесенными событиями, то требуются двое часов etc.

А какая принципиальная сложность с использованием двух часов?

[EEater]

tilin в сообщении #282464 писал(а):

А какая принципиальная сложность с использованием двух часов?

Ну так часы надо синхронизировать. И не окажется ли: то, что надеялись узнать из опыта, придется сперва принять в виде допущений...

[PapaKarlo]

tilin в сообщении #282464 писал(а):

А какая принципиальная сложность с использованием двух часов?

В дополнение к ответу EEater:

Сначала - грубая аналогия с измерением пространственных промежутков. Предположим, Вам необходимо измерить длину некоторого стержня (любимый объект физиков в СТО ). Вы прикладываете к стержню линейку - к одному из концов - нулевую отметку, линеечку вдоль стержня и определяете, к какому делению примыкает другой конец стержня. Что в этой процедуре крайне важно (помимо прочего)? То, что измерения производятся локально. Существенным элементом процедуры измерения является пространственное совмещение концов измеряемого пространственного интервала с измерительными метками. Попробуйте выполнить измерения той же линейкой, если стержень находится на расстоянии 10 метров от Вас. Конечно, можно попробовать провести параллельные линии, но для компенсации параллакса придется в конечном итоге выполнить... измерение пространственного интервала. Другой способ измерения связан с... измерением временных интервалов, но, собственно, об этом и тема.

Вот так же и с измерением времени. Для измерения мы используем часы. Что такое по сути часы? Это некий периодически повторяющийся процесс, одинаковые фазы которого служат тем же, что и отметки на линейке - измерительными метками. По аналогии процесс измерения временных интервалов требует теперь уже временного совмещения меток, т.е. установления одновременности. Вот здесь-то и зарыта собака.

Сначала попробуем обойтись одними и теми же часами для измерения моментов наступления двух событий. Пусть одно из событий происходит локально, вблизи часов. Что значит "локально"? Без погружения в детали мы понимаем, что это означает достаточную достоверность (достаточную точность) утверждения об одновременности двух событий: одно - измеряемое (один из "концов временного стержня"), второе - измерительная метка. Как уже было сказано, если второе событие, обозначающее окончание измеряемого временного интервала, также локально, то определение и его момента времени теми же часами не вызвает сомнений в точности измрений.

Однако если второе событие к тому же и пространственно удалено от единственных часов, то достоверность утверждения об одновременности события-окончания измеряемого интервала и события-метки в наших часах оказывается уже не столь очевидной. По сути, принятие такого утверждения о независимости одновременности от пространственной удаленности между событиями второй пары сводится в классической физике к постулату о абсолютности времени или, что ИМХО практически одно и то же, к постулату о возможности передачи информации с бесконечной скоростью. Действительно, если мы можем получить информацию о наступлении второго события в точку, где мы находимся с нашими единственными часами, мгновенно, то проблем с временным совмещением этого события с одной из меток нет. Однако если передача информации не мгновенна, то возникает вопрос, а какова же величина временной задержки между окончанием интервала и получением нами информации об этом и как она связана с пространственным удалением? Без измерения времени мы не можем измерить скорость и... у попа была собака. По сути мы сводим все опять к совпадению локальных событий, заменяя совмещение временной метки с событием-окончанием измеряемого интервала на совмещение метки с событием получения информации о наступлении события-окончания интервала; но они неодновременны, если скорость передачи информации не бесконечна.

Таким образом, в таком способе измерения длительности временных промежутков вопрос о одновременности и о том, что мы вообще понимаем под одновременностью, является ключевым. Не случайно Эйнштейн рассматривает этот вопрос в своей знаменитой статье одним из первых.

Но, быть может, нам помогут вторые часы, не обязательно расположенные локально по отношению к событию-началу интервала, но определенно расположенные локально по отношению к событию, обозначающему конец измеряемого временного интервала? Помогут - но тольк если у нас есть уверенность, что вторые часы не просто идут точно с той же скоростью, что и первые (это обеспечить не так уже и сложно, если, разумеется, принять постулат о универсальности течения времени - независимости скорости протекания процессов, положенных в основу работы часов, от пространственного положения) - синхронно; нам требуется уверенность в более жестком условии: синфазность, т.е. что показания обоих часов о наступлении некоторого события одинаковы; строго говоря, важна не столько одинаковость, сколько наличие точных сведений о величине возможных различий показаний в любой ситуации. Это условие называют синхронизацией часов, оно становится важным, как только мы используем в измерения более одних часов.

Синхронизация часов, расположенных рядом (в пределе - в одной точке пространства, или в настолько близки точках, что расстоянием между ними можно пренебречь), т.е. локально, очевидно, вполне реализуемая с требуемой точностью процедура. Более того, мы в будущем можем проверить, действительно ли часы по-прежнему синхронизированы, и тем самым проверить наше предположение (постулат) о стабильности хода часов. Однако как только мы начинаем переносить одни часы, удаляя их от других, возникает некая неуверенность: на каком основании мы можем по-прежнему считать часы синхронными и синфазными? Ведь проверка означает... иметь возможность измерить временной интервал между пространственно удаленными событиями (метками, создаваемыми парой часов)! Опять двадцать пять! А принять сохранение синхронизированности часов без проверки означает принятие некоторого очередного постулата.

Что ж, мы уже приняли достаточно много постулатов. Подумаешь, постулатом больше, постулатом меньше. Но так физика не строится. Мало предложить некий постулат, надо еще проверить на опыте, насколько этот постулат соответствует наблюдаемым явлениям. И вот здесь-то полученный ранее порочный круг проявляет себя в полной мере: для некоторого измерения мы предлагаем методику, опирающуюся (в том числе) на некий постулат, а для проверки этого постулата требуется выполнить это самое измерение. В этом и заключается проблема синхронизации двух пространственно разнесенных часов.

Один из возможных выходов из этой ситуации - оговорить, что мы понимаем под одновременностью пространственно разнесенных событий, предложить способ проверки (описать операциональность) того, являются ли два события одновременными. Лишь после этого у нас появится обоснованный способ измерения временных промежутков. Естественно, что предлагаемый способ вынужден будет опираться на некие постулаты, которые следует проверить на опыте. Одним из вариантов такого постулата и является постулат о наличии инвариантной скорости передачи информации, которая, судя по результатам эксперимента, с большой точностью совпадает со скоростью распространения э/м волн (в т.ч. и света) в вакууме.

Неудивительно, что для проверки этого постулата проводились многократные эксперименты, ставившие целью не только повысить точность, но и проверить его в различных условиях. Однако по указанным причинам измерение скорости света в одном направлении наталкивается на принципиальные затруденения.

В скобках можно отметить, что огромная величина скорости света (являющейся чаще всего и скоростью передачи информации) во многих опытах классической механики и уж тем более в обыденной жизни естественным образом привела к ощущению возможности бесконечно быстрой передачи информации, отсюда - к представлению об абсолютности времени. Лишь когда начали проводится опыты с самим светом (сначала - астрономические наблюдения, где пространственные масштабы настолько велики, что конечность скорости света уже заметна; затем и опыты на Земле, построенные так, что опять же конечность скорости света заметна), начали проявляться противоречия экспериментальных данных с постулатом об абсолютности времени. А теория электромагнитных явлений уже по сути своей - как теория, рассматривающая движение со скоростью света - вступила в противоречие с этим постулатом. И возникла необходимость уточнить взгляды на электродинамику движущихся тел...

Simonov в сообщении #281851 писал(а):

Неудачные попытки найти информацию о подобном опыте (опыт Стефана Маринова не выдерживает критики, но это отдельная тема) навели на мысль самостоятельно его поставить. Тем более, что современная элементная база позволяет получать частоты на термостатированных или термостабилизированных кварцевых резонаторах со стабильностью от десятков до единиц ppb, что позволит измерить скорость до долей м/с, а скорость движения поверхности земли на моей широте около 270 м/с.

Как видите, измерить малые скорости - не проблема, при скоростях 270 м/с проблемы синхронизации часов будут заметны лишь при соответствующей методике измерений. Но ведь уже в прошлом и позапрошлом веке проводились опыты, в которых речь шла о заметно больших скоростях - и результаты подтверждают постоянство скорости света. Разумеется, скорость измерялась не совсем уж в одном направлении, как Вы хотите, но и приведенные Вами численные значения и соображения по элементной базе не имеют ничего общего с принципиальной возможностью измерения скорости распространения света в одном направлении, не так ли?

[Simonov]

Для начала хочу поблагодарить всех кто откликнулся на мою тему.

Судя по оставленным здесь комментариям, оговореных мною экспериментов не проводилось (что есть странно). Поэтому к обсуждению хочу присоединить концепцию задуманного прибора.

Идеологически я собираюсь сделать всё тот же интерферометр, но в электронном варианте.
На жесткой балке устанавливаются два блока U1 и U2. В состав каждого блока входит высокостабильный генератор, полупроводниковый лазер модулируемый частотой генератора, фотоприёмник, смеситель (для построения фазового компаратора), процессор (для сбора и передачи данных на комп).

U1____________U2

Измерения будут проводится в такой последовательности:
1.
U1---------------->U2
Блок U2 измеряет разность фаз м/у сигналом принятом от U1 и собственным генератором.
2.
U1<----------------U2
Блок U1 измеряет разность фаз м/у сигналом принятом от U2 и собственным генератором.
3.
U1---------------->U2
<----------------
Блок U1 измеряет разность фаз м/у собственным сигналом отражённым от U2 и собственным генератором.
4.
U1<----------------U2
---------------->
Блок U2 измеряет разность фаз м/у собственным сигналом отражённым от U1 и собственным генератором.

После n-го количества измерений вся конструкция разворачивается на 180 градусов

U2____________U1

и измерения повторяются.

При этом измерения в п.п. 3,4 соответствуют классической схеме измерения скорости света и как показывает практика должны быть независимы от пространственного расположения установки. Измерения в п.п. 1,2 регистрируют время распространения света в одном направлении и в данном случае, интересно, изменится ли фаза сигналов при повороте установки на 180 градусов.

[PapaKarlo]

Simonov в сообщении #282636 писал(а):

Измерения в п.п. 1,2 регистрируют время распространения света в одном направлении

Предположим, измеренная разность фаз составляет $\varphi=\pi/2$. Как Вы посчитаете скорость света?

Simonov в сообщении #282636 писал(а):

Измерения в п.п. 1,2 ... в данном случае, интересно, изменится ли фаза сигналов при повороте установки на 180 градусов.

Можно сделать попытку предсказать: не изменится. Но этим Вы лишь проверите, зависит ли скорость света от направления в пространстве, а также - можно ли говорить о влиянии движения Земли (соответственно, передатчика и приемника) на скорость света. Однако собственно значение скорости света измерить не удастся.

А когда можно ожидать публикацию результатов опыта?

[Simonov]

Здесь важно именно наличие или отсутствие разности во времени прохождения встречных лучей.

Рассчитать численное значение скорости это уже последующая задача и для её решения будет необходимо с определённой точностью знать расстояние между приёмником и передатчиком (а как это сделать если эталоном длины фактически является длина ЭМ волны ). Пока достаточно иметь это расстояние фиксированым.

Разность фаз прямо пропорциональна времени задержки сигнала. На этом принципе работают фазовые дальномеры (если интересно поищите описание в интернете, никаких чудес, чистая тригонометрия и непревзойденная точность измерений).

Цитата:

Можно сделать попытку предсказать: не изменится. Но этим Вы лишь проверите, зависит ли скорость света от направления в пространстве, а также - можно ли говорить о влиянии движения Земли (соответственно, передатчика и приемника) на скорость света. Однако собственно значение скорости света измерить не удастся.

В том то и вопрос: изотропно ли пространство? Да и на счёт предсказаний не торопитесь, чем принципиально подобная установка отличается от интерферометра Саньяка развёрнутого на 55 широте вокруг земли?

По поводу результатов измерений я уже писал. В течении года, если конечно кто либо не сумеет аргументировано отговорить собирать установку, ну или с работы уволюсь . А если серьёзно, то сейчас сложность в том, что нужно поднять точность измерений на 2-3 порядка, но зато нет жёстких требований ко времени измерения по сравнению с дальномером, а с другой стороны на работе ещё и работу работать надо .

[PapaKarlo]

Simonov в сообщении #283377 писал(а):

PapaKarlo в сообщении #282652 писал(а):

Simonov в сообщении #282636 писал(а):

Измерения в п.п. 1,2 регистрируют время распространения света в одном направлении

Предположим, измеренная разность фаз составляет $\varphi=\pi/2$. Как Вы посчитаете скорость света?

Рассчитать численное значение скорости это уже последующая задача и для её решения будет необходимо с определённой точностью знать расстояние между приёмником и передатчиком (а как это сделать если эталоном длины фактически является длина ЭМ волны). Пока достаточно иметь это расстояние фиксированым.

Пусть расстояние измерено точно (пока отложим этот вопрос). Значение разности фаз известно. Как Вы предполагаете определить скорость света? Если все так просто, никаких чудес и чистая тригонометрия - приведите пример.

Я предлагал дать расчет для разности фаз $\varphi=\pi/2$. Давайте ещё немного "упростим" задачу. Пусть разность фаз равна нулю.

Simonov в сообщении #283377 писал(а):

Разность фаз прямо пропорциональна времени задержки сигнала.

Это такой постулат?

Simonov в сообщении #283377 писал(а):

На этом принципе работают фазовые дальномеры (если интересно поищите описание в интернете, никаких чудес, чистая тригонометрия и непревзойденная точность измерений).

И что, эти дальномеры измеряют скорость света?

[Simonov]

PapaKarlo в сообщении #283743 писал(а):

И что, эти дальномеры измеряют скорость света?

Дальномеры измеряют время прохождения луча от прибора до цели и обратно до прибора. Далее исходя из того что полагаются известными скорость света в вакууме (C=299792458) и показатель преломления воздуха (n=1.0002926 при нормальных условиях) вычисляется дистанция (при измерении больших дистанций (сотни метров, километры) вводится поправка на атм давление и температуру).

PapaKarlo в сообщении #283743 писал(а):

Simonov в сообщении #283377 писал(а):

Разность фаз прямо пропорциональна времени задержки сигнала.

Это такой постулат?

Боже упаси! Боюсь я этих постулатов как огня! Да и кто я такой, что бы что либо постулировать!
Не ищите подвоха всё проще. В общем виде фазовый дальномер представляет современную реализацию опыта Физо.
Упрощенно принцип действия описывается так:
Пусть осциллятор генерирует сигнал с частотой $w_1$ по закону

$$f_1(t)=A_1 \sin(w_1 t)$$

которым модулируется мощность излучения лазера, тогда мощность луча лазера отражённого от цели и принятого фотоприёмником описывается по закону

$$f_2(t)=A_2 \sin(w_1 t-w_1 \tau)$$

где $\tau$ время распространения луча от источника к цели и обратно к приёмнику, а произведение $w_1 \tau$ фаза принятого сигнала. На прямую фазу здесь измерять не имеет смысла, слишком высокая частота и соответственно низкая точность измерения.
Для того чтобы измерить фазу используется не хитрый приём - понижение частоты несущей путём умножения на частоту $w_2$ (частота гетеродина)

$$f_3(t)=f_2(t)\sin(w_2 t)=A_2 \sin(w_1 t-w_1 \tau) \sin(w_2 t)$$

далее по формуле преобразования произведений получаем

$$f_3(t)=A_2 \sin(w_1 t-w_1 \tau) \sin(w_2 t)=0.5 A_2 (\cos((w_1-w_2) t-w_1 \tau)-\cos((w_1+w_2) t-w_1 \tau))$$

примем $w_2=w_1-w_3$, причём $w_3\ll w_1$ получаем

$$f_3(t)=0.5 A_2 (\cos(w_3 t-w_1 \tau)-\cos((2 w_1-w_3) t-w_1 \tau))$$

Сигнал $f_3(t)$ поступает на полосопропускающий фильтр с центральной частотой $w_3$ после чего получается сигнал

$$f_4(t)= A_3 \cos(w_3 t-w_1 \tau)$$

или

$$f_4(t)= A_3 \cos(w_3 (t-{\frac {w_1} {w_3}} \tau))$$

где ${\frac {w_1} {w_3}} \tau$ время сдвига сигнала $f_4(t)$.
Далее сигнал $f_4(t)$ поступает на квадратурный демодулятор, где вычисляется фаза $w_1 \tau$, а по ней и задержка $ \tau$.
А теперь немного цифр, пусть частота модуляции лазера 100 МГц, а частота сигнала $f_4(t)$ 0.01 Гц (сразу оговорюсь, что такое возможно, как, уже отдельная тема), время распространения сигнала $10^{-12}$ С, тогда

$w_1=2 \pi 100\cdot10^6$
$w_3=2 \pi 0.01$
$\tau=10^{-12}$

Время сдвига сигнала $f_4(t)$ получаем равным

${\frac {w_1} {w_3}} \tau={\frac {2 \pi 100\cdot 10^6} {2 \pi 0.01}} 10^{-12}=0.01$

То есть задержка распространения луча света в 1 пикосекунду (за это время луч преодолеет дистанцию в 0.3 мм) характеризуется временным сдвигом сигнала $f_4(t)$ в 0.01 секунды. Так как соотношение $\frac {w_1} {w_3} $ ограничивается только здравым смыслом точность измерений фактически определятся точностью и стабильностью осциллятора именно по этому в начале темы я упоминал параметры стабильности осцилляторов.

Ну и для примера посмотрите характеристики современного тахеометра.

PapaKarlo в сообщении #283743 писал(а):

Пусть расстояние измерено точно (пока отложим этот вопрос). Значение разности фаз известно. Как Вы предполагаете определить скорость света? Если все так просто, никаких чудес и чистая тригонометрия - приведите пример.

Как рассчитывается время прохождения луча я описал выше, ну со скоростью просто всё, путь делённый на время . Но, как я писал раннее, в данном случае важно не численное значение скорости, а её постоянство, что мне и интересно было бы проверить. Поэтому я и пытаюсь узнать проводились ли подобные опыты.