Эксперимент по проверке СТО

[jurij]

Эксперимент по проверке СТО.

Волков Юрий Васильевич.
[e-mail]
[e-mail]





Введение.

Одним из самых фундаментальных достижений современной физики является вывод специальной теории относительности (СТО) Альберта Эйнштейна о том, что энергия имеет массу. Или, что одно и то же, энергии можно поставить в соответствие массу. Этот вывод имеет уже философское значение, поскольку в его рамках стирается грань между такими фундаментальными философскими категориями как материя и энергия. Сейчас считается, что этот вывод подтвержден во множестве экспериментов. К ним, в частности, относят эксперименты в которых наблюдается зависимость от скорости траектории движения электрически заряженных частиц в магнитных полях, а также явление не сохранение масс атомных ядер в ядерных реакциях (эффект дефекта масс). Однако все эти наблюдения касаются электрически заряженных тел, а поэтому делать на их основании однозначные выводы нельзя. Что действительно твердо установлено в этих экспериментах, так лишь только то, что отношение масса/заряд электрически заряженных тел в процессе их движения и/или участия в ядерных реакциях не сохраняется. А это обстоятельство, и, соответственно, всю пирамиду теоретических конструкций, опирающуюся на тезис о материальности энергии, можно объяснить иным способом [1].
Действительно прямым экспериментальным подтверждением того, что энергия имеет массу, следует считать эксперименты, в которых наблюдается отклонение света в гравитационных полях. Фотон, как «чистая» энергия, должен согласно СТО иметь массу, а потому участвовать в гравитационном взаимодействии. Этот вывод был прямо подтвержден в экспериментах, проведенных в начале ХХ века, по измерению отклонение света в поле тяжести Солнца [2]. В этих экспериментах, путем измерения траектории фотонов проходящих вблизи Солнца, сравнивались две концепции гравитации, ньютоновская и эйнштейновская. Справедливости ради следует заметить, что вопрос о том, должен или не должен свет отклоняться в поле тяжести Солнца в тех экспериментах не стоял вообще. Не стоял потому, что современные физики унаследовали ньютоновскую концепцию света, согласно которой свет это сущность (в представлении Ньютона поток светоносных частиц). А как все сущее свет должно иметь массу, а значит участвовать в гравитационном взаимодействии. В знаменитой формуле E = mc2 эта концепция получила количественную формулировку, согласно которой фотон имеет массу m = hν/c2. Такое представление о свете, а значит и вывод о том, что энергия имеет массу, в этих экспериментах получил прямое экспериментальное подтверждение.
Однако с момента проведения тех экспериментов (начало ХХ века) и до наших дней регулярно возникают сомнения в корректности толкования их результатов. Сомнения вызывает то обстоятельство, что причиной отклонения света, проходящего вблизи Солнца (как и вблизи других светил, «гравитационные линзы Эйнштейна»), может быть не только гравитация, но и рефракция света в среде, в которой он распространяется. О том, что на траекторию движение света, проходящего вблизи поверхности Солнца, может влиять солнечная атмосфера, еще в 30-х годах прошлого столетия упоминает Г.С.Ладсберг [3]. Однако, это обстоятельство ни самим Ландсбергом, ни научным сообществом, как тогда, так и сейчас, во внимание не принимается. Какого либо серьезного анализа влияния атмосферы Солнца на результаты тех опытов никем до сих пор не сделано. Автор настоящей статьи ренее показал, что существует эксперимент, в рамках которого можно однозначно решить вопрос этого влияния [4]. К сожалению, провести такой эксперимент, в силу малости величин, подлежащих измерению, является невозможным. Поэтому вопрос прямого экспериментального подтверждения вывода о том, что энергия весома, остается, по сути, открытым до сих пор. Чтобы решить его здесь предлагается эксперимент, который, по мнению автора, позволит однозначно ответить на него.

Схема эксперимента.

Как известно, звуковая волна имеет энергию, а значит согласно СТО, должна обладать массой и участвовать в гравитационном взаимодействии. То есть, распространяясь, например, в воздухе, звуковая волна, как и любое весомое тело, должна заодно падать вниз с ускорением 9,8 м/с. Отсюда, чтобы ответить на вопрос, весома или невесома энергия, достаточно обнаружить, или исключить падение звуковых волн в поле тяжести Земли.



Рисунок 1.

Решить эту задачу предлагается в следующем эксперименте. Пусть в точке «O» (см. рисунок 1), находится источник звуковой волны. В точках «A» и «B», расположенных вертикально и на равном расстоянии от точки «O», находятся приемники этой волны. Если звуковая волна в процессе своего распространения не падает (фронт волны сплошная линия), то она придет в точки «A» и «B» одновременно через время: $t = S/c$. Здесь $S = OA= OB$; c – скорость звука в среде, в которой распространяется волна. Если волна при этом падает вниз с ускорением g (фронт волны пунктирная линия), то ее движение вверх, к точке «A», и вниз к точке «B» будет описываться соотношениями:

$OA = ctA - gt^2_A/2; OB = ct_B + gt^2_B/2. $ (1)

Здесь,$ t_A$ и $t_B$, время достижения волной точек A и B. Поскольку $OA=OB $, то, очевидно, $t_A > t_B$. Поэтому наличие разности $t_A - t_B > 0$ будет однозначно свидетельствовать о том, что звуковая волна, в процессе своего распространения падает. Отсюда задача эксперимента сводится к обнаружению или исключению этой разности.
Чтобы планировать эксперимент, оценим значение измеряемой величины. Из (1) следует, что она определяется разностью корней двух квадратных уравнений: $t_A = [c ±(c^2 - 2gS)^{1/2}]/g; t_B = [- c ±(c^2 + 2gS)^{1/2}]/g$. Для дистанции $S < c^2/2g $искомая разность времени прихода волны в точки «A» и «B» будет равна:

$t_A - t_B = [2c - (c^2 – 2gS)^{1/2} - (c^2 + 2gS)^{1/2}]/g. (2) $
Из полученного соотношения следует, что для волны, распространяющейся в воздухе со скоростью 330 м/с, на дистанции $S = 100 m$ разность времени прихода волны в точки «А» и «В» будет равна 2,7 миллисекунд.




Факторы, влияющие на результаты измерений эксперимента.

Рассмотрим факторы, которые могут влиять на результаты измерений эксперимента. Кроме гравитации на время прихода волны в точки «А» и «В» будут влиять три основных фактора.
1. Неравенство дистанций ОА и ОВ.
2. Движение воздуха, в котором распространяется волна.
3. Неравномерность температуры этого воздуха.
Как уже отмечалось выше, задача эксперимента ограничивается лишь ответом на вопрос, падают, или не падают звуковые волны в поле тяжести Земли. В связи с этим анализ перечисленных выше факторов ограничим лишь определением их критических значений, т.е. значений, которые будут принципиально менять смысл результатов эксперимента.

Неравенство дистанций.
Как было показано выше, на дистанции 100 метров разность времени движения волны вверх и вниз, составляет 2,7 миллисекунды. За это время звуковая волна проходит в воздухе дистанцию 0,891метра. Поэтому, если путь волны вверх будет на 0,891метра короче пути вниз ($OB - OA = 0,891m$), то эта разность будет полностью компенсировать влияние гравитации на время прихода волны в точки «А» и «В». И, соответственно, если разность путей будет противоположной, то это приведет к такой разности времени прихода волны к этим точка, что создаст иллюзию падения волны в отсутствии такового. Поэтому, чтобы влияние этой разности на результаты эксперимента было не более 10% , необходимо, чтобы $OB \ne OA \leqslant 0,09m $.

Движение воздуха.
Звуковая волна является состоянием среды, в которой распространяется, а потому этой средой непосредственно переносится. А это значит, если воздух, в котором распространяется волна, движется вверх, то он будет сносить в том же направлении и волну, компенсируя ее падение вниз. Соответственно, если поток воздуха будет направлен вниз, то он будет сносить волну вниз, создавая иллюзию ее падения. Скорость потока воздуха, которая является критической для дистанции S, можно оценить так. Перепишем (1) в форме: $S = ct_A + vt_A - gt^2_A/2; S = ct_B - vt_B + gt^2_B/2$, где v – скорость движения воздуха в направлении от точки «B» к точке «A». Условию полной компенсации гравитационного падения волны соответствует $t_A = t_B = t$. Приняв $t = S/c$, получим:

$v = gS/2c$ (3)

Для дистанции $S = 100m $ получим $v = 1,49 m/s$. То есть, если поток воздуха движется с этой скоростью вверх, то он будет полностью компенсировать возможное падения волны. Если же вниз, то создавать иллюзию ее падения. Отсюда, чтобы влияние движения воздуха на результаты эксперимента было не более 10%, необходимо, чтобы скорость восходящего/нисходящего потоков воздуха в месте проведения эксперимента была не более $v \leqslant 0,15 m/s.$

Температура воздуха.
Третий фактор, который может повлиять на результаты эксперимента, это неравномерность температуры воздуха на пути движения звуковой волны. Известно, что скорость звука в газе (воздухе) пропорциональна его температуре: $c = \alpha T^{1/2}, $где T – абсолютная температура газа, $\alpha$ – некий постоянный для данного газа коэффициент [5]. Поэтому, если температура воздуха будет возрастать по пути движения волны вверх, то это приведет к уменьшению разницы $t_A - t_B,$ т.е. к компенсации падения волны. Соответственно, обратный градиент будет приводить к возникновению такой разницы, которая создает иллюзию падения волны. Условие температурной компенсации гравитационного падения волны имеет вид:

$T_A^{1/2} - T_B^{1/2} = gS/\alpha c_0. (5) $

Здесь $T_A$ и $T_B$ средние температуры воздуха на участках OA и OB Выразим$ T_A = T_0 +\Delta T; T_B = T_0 - \Delta T$, и, полагая, что $\Delta T/T_0 \leqslant\leqslant 1, $ получим:

$\Delta T = gT_0S/2c_0^2. (6) $
Для температуры $T_0 = 283^0 K$ ($10^0 C$), скорость звука $c_0 = 337,3 m/s$. Тогда на дистанции 100 метров, критический перепад температур будет равен $\Delta T = 1,22^0.$ Поэтому, чтобы подтвердить/исключить влияние гравитации на движение звуковой волны с погрешностью на более 10%, необходимо, чтобы неравномерность температуры воздуха на этих участках была не более $\Delta T \leqslant 0,244^0.$

Таким образом, чтобы получить корректные результаты эксперимента его необходимо проводить в месте, где воздух имеет перепад температур на измеряемой дистанции не более 0,25 градусов, а его скорость вертикального перемещения не превышала 0,15 м/с. Можно предположить, что такие условия можно найти под землей, в подземных пещерах и шахтах. Однако, найти пещеру с вертикальными размерами $h = 2S = 200 $метров, вряд ли удастся. Поэтому остается вертикальный ствол шахты с глубиной более 200 метров. Что касается времени проведения эксперимента, то наилучшим будет межсезонье, когда температура воздуха на поверхности и в стволе шахты приблизительно равны. В этом случае в стволе не будет сколько-нибудь значительных вертикальных градиентов температур и конвективных потоков воздуха с ними связанных.
В заключение этого раздела оценим влияние на результаты эксперимента механических и термических деформаций тороса, на котором должен быть размещен измерительный комплекс эксперимента.

Механические деформации.
Из схемы эксперимента (см. рис.) следует, что для дистанции $OA=OB= 100 $метров длина троса, на котором размещены источник звука и измерительные микрофоны будет составлять 200 метров. Чтобы уменьшить влияние поверхности (температуры и воздушных потоков) измерительный комплекс полезно опустить еще на 100 метров вниз. В результате общая длина троса будет равна 300 метров. Пренебрегая весом размещенных на тросе измерительных приборов и кабелей связи оценим деформацию троса под действием собственного веса. Из теории сопротивления материалов следует, что деформация стержня (троса) длиной L, постоянного сечения F, под действием собственного веса P, равна

$\Delta L = \rho gL^2/E. $ (7)

Трос, на котором подвешен измерительный комплекс, имеет общую длину 300 метров, и состоит из трех частей. Первая часть длиной 100 метров определяет заглубление комплекса и, соответственно, положение точки «А», где расположен первый измерительный микрофон. Вторая часть длиной $OA = 100 $метров, определяет положение точки «О», где расположен источник звука. Третья часть длиной $OB = 100 $метров, определяет положение точки «В», где расположен второй измерительный микрофон.
В нашем случае представляет интерес разница деформаций участков троса ОА и ОВ. Из (7) следует, что эта разница равна $2\rho gL^2/9E$. Для стального троса это будет 0,0078 метра, что существенно меньшей вычисленной ранее критической разницы 0,09 метра.

Температурная деформация троса.
Разница длин участков ОА и ОВ, обусловленная разностью их температур будет равна $\Delta L = \alpha L\Delta T$. Здесь $L = 100 $метров; $\Delta T$ – разность средних температур на этих участках;$ \alpha $– коэффициент линейного термического расширения материала троса. Выше было показано, что разница средних температур на участках ОА и ОВ не должна превышать 0,24 градуса. Для этой разницы получим $\Delta L = 0,0003$ метра, что пренебрежимо мало для данной задачи.

Уважаемые участники форума!
Предлагаемый вашему вниманию эксперимент весьма прост, а потому я планирую провести его в реальности. Поэтому я буду весьма благодарен за ваши критические замечания по поводу этого эксперимента.
Юрий Волков.




Литература.

1. Физика ХХ века. Проблемы и альтернативы. Ю.В. Волков. Из-во LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013, с.94.
лженаучная ссылка удалена
лженаучная ссылка удалена

2. Новые наблюдения отклонения световых лучей в поле тяготения Солнца. Ю.М. Кушнир, В.С.Фурсов. УФН, т. XII, вып. Ϊ, 1932г.
http://ufn.ru/ufn32/ufn32_1/Russian/r321_h.pdf

3. Отклонение света в гравитационном поле Солнца (Результаты английских экспедиций по наблюдению солнечного затмения 1919 г.) Г.С. Ландсберг. http://ufn.ru/ufn21/ufn21_2/Russian/r212c.pdf

4. Эксперимент по верификации эксперимента ОТО. Ю.В.Волков АСТРОФОРУМ. лженаучная ссылка удалена

5. ВИКИПЕДИЯ Скорость звука. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0 ... 0%BA%D0%B0

[Pphantom]

Тема перемещена из форума «Дискуссионные темы (Ф)» в форум «Пургаторий (Ф)»
Причина переноса: в коллекцию к предыдущим.

-- 25.10.2017, 12:27 --

jurij забанен за систематическую бредогенерацию и многолетнее неумение отличать форум от блога.