Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

Если первый трамвай выехал со скоростью V 1, а второй, спустя время T , — со скоростью V 2, то к остановке, расположенной на расстоянии L , они прибудут: первый — за время

L / V 1,

второй — за

L / V 2.

На разность времен хода

L ( V 1— V 2)/ V 1 V 2

и вырастет промежуток времени T' между приходом трамваев к остановке в сравнении с исходным T . Так и для двух лучей света: будучи испущены звездой с разрывом времени T , они придут к наблюдателю с разрывом

T' = T + L ( V 1— V 2)/ V 1 V 2.

Разные скорости V 1и V 2лучи приобретают от переменной лучевой скорости звезды — её лучевого ускорения a . В первый миг звезда испускает луч со скоростью V 1, а в следующий, спустя время T , её скорость убудет на величину aT , и на столько же замедлится луч: его скорость V 2составит V 1— aT . Отсюда, считая скорости лучей V 1и V 2примерно равными скорости света c , находим

T' = T (1+ La / c 2).

Поскольку свет, испущенный звездой за время T , воспримется в течение момента T' , пропорционально ему должна периодически, в зависимости от ускорения, меняться и яркость звезды, "концентрация" света, аналогично плотности трамваев на разных участках пути. Колебания яркости следуют за колебаниями лучевого ускорения звезды и выражены тем сильней, чем ускорение выше, а звезда — дальше. Выходит, только звёзды с большой удалённостью и ускорением могут заметно менять свой блеск. Изменяются и спектры звёзд. Ведь свет — это периодический, волновой процесс, и, подобно расстояниям между трамваями, периоду и частоте их следования, должны меняться длины волн света, период световых колебаний

T' = T (1+ La / c 2)

и их частота

f' =1/ T'≈f (1– La / c 2).

В этом, напомним, и состоит эффект Ритца.

Таким образом, синхронно с колебаниями яркости двойной звезды в её спектре будут "гулять" линии поглощения. И такие переменные звёзды, периодически меняющие яркость и спектр, действительно, известны астрономам под названием "цефеид". Смещения спектральных линий от эффекта Ритца у далёких двойных звёзд, как показывают расчёты, получаются много больше доплеровских (§ 2.10). Именно поэтому у цефеид кривая спектрального смещения отражает не колебания скорости, но, подобно кривой блеска, — колебания ускорения звезды. Недаром, кривые блеска и "скорости" (спектрального сдвига) цефеид зеркально похожи. Сдвиг частоты меняет и цвет (спектр излучения): звезда становится то "синее", то "краснее". А, поскольку по цвету находят её температуру (все видели, как раскалённый волосок в лампе, остывая, становится из жёлтого красным), то будет казаться, что в фазе со "скоростью" и блеском меняется "температура" звезды (Рис. 71).

Отметим, что именно эти колебания яркости звезды, вызванные эффектом Ритца, долгое время мешали признанию баллистической теории. Напомним, Де Ситтер отверг теорию Ритца, поскольку исследованные им звёзды не имели перекоса спектральных кривых, предсказанного БТР. Причина этого состояла в том, что эффект у этих систем проявлялся ещё очень слабо из-за их сравнительной близости к Земле. Если же перекос был велик (у далёких двойных звёзд), то он всегда сопровождался плавными колебаниями яркости и звезду считали уже не двойной (из-за дальности второй компонент неразличим), а — одиночной цефеидой (пульсирующей звездой, § 2.12). А, потому, большой перекос в графике лучевых скоростей уже не связывали с орбитальным движением звезды и эффектами баллистической теории. Едва эти эффекты становились заметными, двойные звёзды из-за переменной яркости относили уже к другому типу (к классу цефеид), исключая из рассмотрения.

Рис. 71. Движение звезды по орбите создаёт за счёт эффекта Ритца те же периодические изменения яркости и спектра, что обнаружены у переменных звёзд.

Итак, небольшая модуляция света по скорости, вызванная движением звезды по орбите, приводит к сильным колебаниям яркости, растущим по мере удаления от звезды. Интересно, что именно этот эффект, предсказанный Ритцем ещё в 1908 г., положен в основу работы СВЧ-приборов клистронов [36 Ч.II, 103]. На эту аналогию эффекта Ритца и клистронного эффекта впервые обратил внимание автора профессор Н.С. Степанов. Разница состоит только в том, что в клистронах происходит пространственно-временная фокусировка не световых лучей и пучков, а — электронных. Исходно однородный по плотности электронный пучок, проходя в клистроне через меняющееся с большой частотой электрическое поле, разбивается, по мере движения, на сгустки, тем более выраженные, чем больший путь прошёл электронный пучок (Рис. 32). Это, опять же, вызвано тем, что отдельные, почти не взаимодействующие друг с другом электроны, получив в ускоряющем поле различные добавочные скорости, начинают догонять друг друга и скапливаться, группироваться, — возникает пространственная группировка пучка, которую так же называют "фазовой фокусировкой электронного пучка", ввиду аналогии с фокусировкой света.

Совершенно так же, как пучок света, прошедший через линзу, чем дальше, тем всё более сходится, фокусируется, наращивая свою яркость, так же фокусируются на пространственно-временной диаграмме и электроны после прохождения клистрона (Рис. 72). Ещё точнее эту аналогию и пространственно-временную диаграмму иллюстрирует отражение, преломление и фокусировка света волнистой поверхностью воды. Чем дальше будем располагать экран от взволнованной поверхности воды, тем чётче и ярче прорисуются отражения гребней волн, на самой поверхности часто незаметные глазу. В случае пространственной фокусировки, яркость нарастает за счёт сбора лучей, испущенных в разных направлениях, вблизи одной точки пространства (фокуса). А во временнóй фокусировке яркость увеличивается за счёт сбора лучей, испущенных в разные моменты, вблизи одной точки во времени. В таком временнóм фокусе лучи соберутся на расстоянии L = c 2/ a от источника света или электронов, как хорошо видно на пространственно-временнóй диаграмме (Рис. 72).

Рис. 72. Пространственно-временная диаграмма, демонстрирующая эффект группирования электронов, реонов и кинематические волны за счёт модуляции с периодом P скорости V rпотока частиц [103].

Именно такую пространственно-временную диаграмму, но — для света, построил и В.И. Секерин, рассмотревший влияние скорости двойных звёзд на скорость идущего от них света [111]. Таким образом, колебания в системах двойных звёзд ведут к периодичным колебаниям их яркости, так же, как колебания поля в клистроне создают периодичные колебания интенсивности, плотности электронного пучка. Если этот пучок направить на люминесцентный экран телевизора или осциллографа, то с помощью высокоскоростной съёмки, точно так же, можно было бы наблюдать быстрые колебания яркости светового пятна, созданного на экране электронным пучком. При помещении экрана вплотную к клистрону, мы не увидели бы колебаний яркости: пучок был бы сравнительно однородный по плотности, но, по мере удаления от клистрона, экран стал бы давать сперва едва заметные колебания яркости пятна, а, затем, всё более выраженные (Рис. 73). Пучок электронов, промодулированный, неоднородный по скоростям, по мере движения становится всё более неоднороден по плотности, разбиваясь на сгустки.