Teoria de emissão - Emission theory

A teoria da emissão , também chamada de teoria do emissor ou teoria balística da luz , era uma teoria concorrente com a teoria da relatividade especial , explicando os resultados do experimento de Michelson-Morley de 1887. As teorias da emissão obedecem ao princípio da relatividade por não terem moldura preferencial para a luz transmissão, mas digamos que a luz é emitida na velocidade "c" em relação à sua fonte, em vez de aplicar o postulado de invariância. Assim, a teoria do emissor combina eletrodinâmica e mecânica com uma teoria newtoniana simples. Embora ainda existam proponentes desta teoria fora do mainstream científico , esta teoria é considerada conclusivamente desacreditada pela maioria dos cientistas.

História

O nome mais frequentemente associado à teoria da emissão é Isaac Newton . Em sua teoria corpuscular, Newton visualizou "corpúsculos" de luz sendo lançados de corpos quentes a uma velocidade nominal de c em relação ao objeto emissor e obedecendo às leis usuais da mecânica de Newton, e então esperamos que a luz se mova em nossa direção com um velocidade que é compensada pela velocidade do emissor distante ( c  ±  v ).

No século 20, a relatividade especial foi criada por Albert Einstein para resolver o aparente conflito entre a eletrodinâmica e o princípio da relatividade . A simplicidade geométrica da teoria era persuasiva, e a maioria dos cientistas aceitava a relatividade em 1911. No entanto, alguns cientistas rejeitaram o segundo postulado básico da relatividade: a constância da velocidade da luz em todos os referenciais inerciais . Assim, diferentes tipos de teorias de emissão foram propostas em que a velocidade da luz depende da velocidade da fonte, e a transformação de Galileu é usada em vez da transformação de Lorentz . Todos eles podem explicar o resultado negativo do experimento Michelson-Morley , uma vez que a velocidade da luz é constante em relação ao interferômetro em todos os referenciais. Algumas dessas teorias foram:

• A luz retém em todo o seu caminho o componente de velocidade que obteve de sua fonte móvel original e, após a reflexão, a luz se espalha em forma esférica ao redor de um centro que se move com a mesma velocidade da fonte original. (Proposta por Walter Ritz em 1908). Este modelo foi considerado a teoria de emissão mais completa. (Na verdade, Ritz estava modelando a eletrodinâmica de Maxwell-Lorentz. Em um artigo posterior, Ritz disse que as partículas de emissão em sua teoria deveriam sofrer interações com cargas ao longo de seu caminho e, portanto, as ondas (produzidas por elas) não reteriam suas velocidades de emissão originais indefinidamente.)
• A parte excitada de um espelho refletor atua como uma nova fonte de luz e a luz refletida tem a mesma velocidade c em relação ao espelho que a luz original em relação à sua fonte. (Proposta por Richard Chase Tolman em 1910, embora ele fosse um defensor da relatividade especial).
• A luz refletida de um espelho adquire um componente de velocidade igual à velocidade da imagem no espelho da fonte original (proposto por Oscar M. Stewart em 1911).
• Uma modificação da teoria de Ritz-Tolman foi introduzida por JG Fox (1965). Ele argumentou que o teorema da extinção (ou seja, a regeneração da luz dentro do meio atravessado) deve ser considerado. No ar, a distância de extinção seria de apenas 0,2 cm, ou seja, após percorrer essa distância a velocidade da luz seria constante em relação ao meio, não à fonte de luz inicial. (O próprio Fox era, no entanto, um defensor da relatividade especial.)

Albert Einstein supostamente trabalhou em sua própria teoria da emissão antes de abandoná-la em favor de sua teoria da relatividade especial . Muitos anos depois, RS Shankland relata que Einstein disse que a teoria de Ritz tinha sido "muito ruim" em alguns lugares e que ele mesmo havia descartado a teoria da emissão porque não conseguia pensar em nenhuma forma de equação diferencial que a descrevesse, uma vez que leva às ondas de luz se tornando "toda confusa".

Refutações da teoria da emissão

O seguinte esquema foi introduzido por de Sitter para testar as teorias de emissão:

${\ displaystyle c '= c \ pm kv \,}$

onde c é a velocidade da luz, v a da fonte, c ' a velocidade da luz resultante e k uma constante denotando a extensão da dependência da fonte que pode atingir valores entre 0 e 1. De acordo com a relatividade especial e o éter estacionário, k = 0, enquanto as teorias de emissão permitem valores até 1. Numerosos experimentos terrestres foram realizados, em distâncias muito curtas, onde nenhum efeito de "arrastamento da luz" ou extinção poderia entrar em jogo, e novamente os resultados confirmam que a velocidade da luz é independente de a velocidade da fonte, descartando de forma conclusiva as teorias de emissão.

Fontes astronômicas

O argumento de Willem de Sitter contra a teoria da emissão. De acordo com a teoria da emissão simples, a luz se move a uma velocidade de c em relação ao objeto emissor. Se isso fosse verdade, a luz emitida por uma estrela em um sistema de estrelas duplas de diferentes partes do caminho orbital viajaria em nossa direção em velocidades diferentes. Para certas combinações de velocidade orbital, distância e inclinação, a luz "rápida" emitida durante a aproximação ultrapassaria a luz "lenta" emitida durante uma parte recessiva da órbita da estrela. Muitos efeitos bizarros seriam vistos, incluindo (a) como ilustrado, curvas de luz de estrela variável de formato incomum, como nunca foi visto, (b) desvios Doppler extremos de vermelho e azul em fase com as curvas de luz, implicando em altamente não-Kepleriano órbitas, e (c) divisão das linhas espectrais (observe a chegada simultânea da luz deslocada para o azul e para o vermelho no alvo).

Em 1910, Daniel Frost Comstock e em 1913 Willem de Sitter escreveram que, para o caso de um sistema de estrelas duplas visto de lado, a luz da estrela que se aproxima viajaria mais rápido do que a luz de sua companheira que se afastava e a ultrapassaria. Se a distância fosse grande o suficiente para que o sinal "rápido" de uma estrela se aproximando alcançasse e ultrapassasse a luz "lenta" que ela havia emitido antes, quando estava se afastando, então a imagem do sistema estelar deveria aparecer completamente embaralhada. De Sitter argumentou que nenhum dos sistemas estelares que ele estudou mostrou o comportamento de efeito óptico extremo, e isso foi considerado a sentença de morte para a teoria Ritziana e a teoria da emissão em geral, com . ${\ displaystyle k <2 \ times 10 ^ {- 3}}$

O efeito da extinção no experimento de De Sitter foi considerado em detalhes por Fox, e sem dúvida mina a força da evidência do tipo de Sitter baseada em estrelas binárias. No entanto, observações semelhantes foram feitas mais recentemente no espectro de raios-X por Brecher (1977), que têm uma distância de extinção longa o suficiente para não afetar os resultados. As observações confirmam que a velocidade da luz é independente da velocidade da fonte, com . ${\ displaystyle k <2 \ times 10 ^ {- 9}}$

Hans Thirring argumentou em 1926, que um átomo que é acelerado durante o processo de emissão por colisões térmicas no sol, está emitindo raios de luz com velocidades diferentes em seus pontos inicial e final. Assim, uma extremidade do raio de luz ultrapassaria as partes anteriores e, consequentemente, a distância entre as extremidades seria alongada em até 500 km até chegarem à Terra, de modo que a mera existência de linhas espectrais nítidas na radiação solar, refuta o modelo balístico .

Fontes terrestres

Tais experimentos incluem o de Sadeh (1963), que usou uma técnica de tempo de vôo para medir as diferenças de velocidade de fótons viajando em direções opostas, que foram produzidas pela aniquilação de pósitrons. Outro experimento foi conduzido por Alväger et al. (1963), que comparou o tempo de voo dos raios gama de fontes em movimento e em repouso. Ambos os experimentos não encontraram nenhuma diferença, de acordo com a relatividade.

Filippas e Fox (1964) não consideraram Sadeh (1963) e Alväger (1963) como tendo controlado suficientemente para os efeitos da extinção. Então, eles conduziram um experimento usando uma configuração projetada especificamente para levar em conta a extinção. Os dados coletados de várias distâncias detector-alvo eram consistentes com a não existência de dependência da velocidade da luz na velocidade da fonte e eram inconsistentes com o comportamento modelado assumindo c ± v com e sem extinção.

Continuando suas investigações anteriores, Alväger et al. (1964) observaram π ⁰ - mésons que decaem em fótons a 99,9% da velocidade da luz. O experimento mostrou que os fótons não atingiam a velocidade de suas fontes e ainda viajavam na velocidade da luz, com . A investigação da mídia que foi atravessada pelos fótons mostrou que a mudança de extinção não foi suficiente para distorcer o resultado significativamente. ${\ displaystyle k = (- 3 \ pm 13) \ times 10 ^ {- 5}}$

Também foram realizadas medições da velocidade do neutrino . Mésons viajando quase na velocidade da luz foram usados ​​como fontes. Como os neutrinos participam apenas da interação eletrofraca , a extinção não desempenha nenhum papel. As medições terrestres forneceram limites superiores de . ${\ displaystyle k \ leq 10 ^ {- 6}}$

Interferometria

O efeito Sagnac demonstra que um feixe em uma plataforma rotativa cobre menos distância do que o outro feixe, o que cria a mudança no padrão de interferência. O experimento original de Georges Sagnac mostrou sofrer efeitos de extinção, mas desde então, o efeito Sagnac também demonstrou ocorrer no vácuo, onde a extinção não desempenha nenhum papel.

As previsões da versão de Ritz da teoria da emissão eram consistentes com quase todos os testes interferométricos terrestres, exceto aqueles envolvendo a propagação da luz em meios móveis, e Ritz não considerava as dificuldades apresentadas por testes como o experimento de Fizeau como intransponíveis. Tolman, no entanto, observou que um experimento de Michelson-Morley usando uma fonte de luz extraterrestre poderia fornecer um teste decisivo da hipótese de Ritz. Em 1924, Rudolf Tomaschek realizou um experimento Michelson-Morley modificado usando a luz das estrelas, enquanto Dayton Miller usou a luz do sol. Ambos os experimentos foram inconsistentes com a hipótese de Ritz.

Babcock e Bergman (1964) colocaram placas de vidro giratórias entre os espelhos de um interferômetro de caminho comum instalado em uma configuração Sagnac estática . Se as placas de vidro se comportarem como novas fontes de luz, de modo que a velocidade total da luz que emerge de suas superfícies seja c  +  v , uma mudança no padrão de interferência seria esperada. No entanto, não houve tal efeito, o que novamente confirma a relatividade especial, e que novamente demonstra a independência da fonte da velocidade da luz. Este experimento foi executado no vácuo, portanto, os efeitos de extinção não deveriam desempenhar nenhum papel.

Albert Abraham Michelson (1913) e Quirino Majorana (1918/9) conduziram experimentos de interferômetro com fontes em repouso e espelhos móveis (e vice-versa), e mostraram que não há dependência da fonte da velocidade da luz no ar. O arranjo de Michelson foi projetado para distinguir entre três possíveis interações de espelhos em movimento com a luz: (1) "os corpúsculos de luz são refletidos como projéteis de uma parede elástica", (2) "a superfície do espelho atua como uma nova fonte", (3) "a velocidade da luz é independente da velocidade da fonte". Seus resultados foram consistentes com a independência da fonte da velocidade da luz. Majorana analisou a luz de fontes móveis e espelhos usando um interferômetro de Michelson de braço desigual que era extremamente sensível às mudanças de comprimento de onda. A teoria da emissão afirma que o deslocamento Doppler da luz de uma fonte móvel representa um deslocamento de frequência sem deslocamento no comprimento de onda. Em vez disso, Majorana detectou mudanças no comprimento de onda inconsistentes com a teoria da emissão.

Beckmann e Mandics (1965) repetiram os experimentos de espelho móvel de Michelson (1913) e Majorana (1918) em alto vácuo, descobrindo que k é menor que 0,09. Embora o vácuo empregado fosse insuficiente para descartar definitivamente a extinção como a razão de seus resultados negativos, foi suficiente para tornar a extinção altamente improvável. A luz do espelho em movimento passou por um interferômetro Lloyd , parte do feixe percorrendo um caminho direto para o filme fotográfico, parte refletindo no espelho Lloyd. O experimento comparou a velocidade da luz viajando hipoteticamente em c + v dos espelhos em movimento, versus luz refletida viajando hipoteticamente em c do espelho Lloyd.

Outras refutações

As teorias de emissão usam a transformação Galileana, segundo a qual as coordenadas de tempo são invariáveis ​​ao mudar de quadro ("tempo absoluto"). Assim, o experimento de Ives-Stilwell , que confirma a dilatação relativística do tempo , também refuta a teoria da emissão de luz. Conforme mostrado por Howard Percy Robertson , a transformação Lorentz completa pode ser derivada, quando o experimento Ives-Stillwell é considerado junto com o experimento Michelson-Morley e o experimento Kennedy-Thorndike .

Além disso, a eletrodinâmica quântica coloca a propagação da luz em um contexto totalmente diferente, mas ainda relativístico, o que é completamente incompatível com qualquer teoria que postule uma velocidade da luz que é afetada pela velocidade da fonte.

Veja também

• História da relatividade especial
• Testes de relatividade especial

Referências

• Isaac Newton, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica
• Isaac Newton, Opticks

links externos

• de Sitter (1913) artigos sobre estrelas binárias como evidência contra a teoria da emissão de Ritz.