Théorie des émissions - Emission theory

Cet article porte sur la théorie des émissions de la relativité. Pour la théorie des émissions de la vision, voir Théorie des émissions (vision) .

La théorie des émissions , également appelée théorie des émetteurs ou théorie balistique de la lumière , était une théorie concurrente pour la théorie de la relativité restreinte , expliquant les résultats de l' expérience de Michelson-Morley de 1887. Les théories des émissions obéissent au principe de relativité en n'ayant pas de cadre préféré pour la lumière transmission, mais disons que la lumière est émise à la vitesse "c" par rapport à sa source au lieu d'appliquer le postulat d'invariance. Ainsi, la théorie des émetteurs combine l' électrodynamique et la mécanique avec une théorie newtonienne simple. Bien qu'il existe encore des partisans de cette théorie en dehors du courant principal scientifique , cette théorie est considérée comme définitivement discréditée par la plupart des scientifiques.

Histoire

Article principal: théorie balistique du Ritz

Le nom le plus souvent associé à la théorie des émissions est Isaac Newton . Dans sa théorie corpusculaire, Newton a visualisé des «corpuscules» de lumière projetés par des corps chauds à une vitesse nominale de c par rapport à l'objet émetteur, et obéissant aux lois habituelles de la mécanique newtonienne, et nous nous attendons alors à ce que la lumière se déplace vers nous avec un vitesse qui est compensée par la vitesse de l'émetteur distant ( c  ±  v ).

Au 20e siècle, la relativité restreinte a été créée par Albert Einstein pour résoudre le conflit apparent entre l' électrodynamique et le principe de relativité . La simplicité géométrique de la théorie était convaincante, et la majorité des scientifiques ont accepté la relativité en 1911. Cependant, quelques scientifiques ont rejeté le deuxième postulat de base de la relativité: la constance de la vitesse de la lumière dans tous les cadres inertiels . Ainsi, différents types de théories d'émission ont été proposés où la vitesse de la lumière dépend de la vitesse de la source, et la transformation galiléenne est utilisée à la place de la transformation de Lorentz . Tous peuvent expliquer le résultat négatif de l' expérience de Michelson – Morley , puisque la vitesse de la lumière est constante par rapport à l'interféromètre dans tous les référentiels. Certaines de ces théories étaient:

  • La lumière conserve tout au long de son trajet la composante de vitesse qu'elle a obtenue à partir de sa source en mouvement d'origine, et après réflexion, la lumière se répand sous forme sphérique autour d'un centre qui se déplace avec la même vitesse que la source d'origine. (Proposé par Walter Ritz en 1908). Ce modèle a été considéré comme la théorie des émissions la plus complète. (En fait, Ritz modélisait l'électrodynamique de Maxwell – Lorentz. Dans un article ultérieur, Ritz a déclaré que les particules d'émission dans sa théorie devraient subir des interactions avec des charges le long de leur trajet et que les ondes (produites par elles) ne conserveraient donc pas indéfiniment leurs vitesses d'émission d'origine.)
  • La partie excitée d'un miroir réfléchissant agit comme une nouvelle source de lumière et la lumière réfléchie a la même vitesse c par rapport au miroir que la lumière d'origine par rapport à sa source. (Proposé par Richard Chase Tolman en 1910, bien qu'il fût partisan de la relativité restreinte).
  • La lumière réfléchie par un miroir acquiert une composante de vitesse égale à la vitesse de l'image miroir de la source originale (proposé par Oscar M. Stewart en 1911).
  • Une modification de la théorie de Ritz-Tolman a été introduite par JG Fox (1965). Il a soutenu que le théorème d'extinction (c'est-à-dire la régénération de la lumière dans le milieu traversé) doit être considéré. Dans l'air, la distance d'extinction ne serait que de 0,2 cm, c'est-à-dire qu'après avoir parcouru cette distance, la vitesse de la lumière serait constante par rapport au milieu et non par rapport à la source lumineuse initiale. (Fox lui-même était cependant un partisan de la relativité restreinte.)

Albert Einstein est censé avoir travaillé sur sa propre théorie des émissions avant de l'abandonner au profit de sa théorie spéciale de la relativité . Plusieurs années plus tard, RS Shankland rapporte Einstein en disant que la théorie de Ritz avait été "très mauvaise" par endroits et qu'il avait lui-même finalement écarté la théorie des émissions parce qu'il ne pouvait penser à aucune forme d'équations différentielles qui la décrivait, puisqu'elle conduit aux vagues de la lumière devenant «tout mélangée».

Réfutations de la théorie des émissions

Le schéma suivant a été introduit par de Sitter pour tester les théories d'émission:

où c est la vitesse de la lumière, v celle de la source, c ' la vitesse résultante de la lumière, et k une constante indiquant l'étendue de la dépendance à la source qui peut atteindre des valeurs comprises entre 0 et 1. Selon la relativité restreinte et l'éther stationnaire, k = 0, alors que les théories d'émission autorisent des valeurs allant jusqu'à 1. De nombreuses expériences terrestres ont été réalisées, sur de très courtes distances, où aucun effet de "traînée de lumière" ou d'extinction ne pouvait entrer en jeu, et là encore les résultats confirment que la vitesse de la lumière est indépendante de la vitesse de la source, excluant définitivement les théories sur les émissions.

Sources astronomiques

L'argument de de Sitter contre la théorie des émissions.
Animation de l'argument de de Sitter.
L'argument de Willem de Sitter contre la théorie des émissions. Selon la théorie d'émission simple, la lumière se déplace à une vitesse de c par rapport à l'objet émetteur. Si cela était vrai, la lumière émise par une étoile dans un système à deux étoiles à partir de différentes parties de la trajectoire orbitale se déplacerait vers nous à des vitesses différentes. Pour certaines combinaisons de vitesse orbitale, de distance et d'inclinaison, la lumière "rapide" émise pendant l'approche dépasserait la lumière "lente" émise pendant une partie de récession de l'orbite de l'étoile. De nombreux effets bizarres seraient observés, y compris (a) comme illustré, des courbes de lumière en étoile variables de forme inhabituelle comme on n'en a jamais vu, (b) des décalages Doppler extrêmes vers le rouge et le bleu en phase avec les courbes de lumière, ce qui implique fortement non-keplérien orbites, et (c) division des raies spectrales (notez l'arrivée simultanée de lumière décalée vers le bleu et le rouge sur la cible).

En 1910, Daniel Frost Comstock et en 1913 Willem de Sitter écrivirent que dans le cas d'un système à deux étoiles vu de bord, on pourrait s'attendre à ce que la lumière de l'étoile approchante voyage plus vite que la lumière de son compagnon en retrait et la dépasse. Si la distance était suffisamment grande pour que le signal "rapide" d'une étoile approchant rattrape et dépasse la lumière "lente" qu'elle avait émise plus tôt lors de son recul, alors l'image du système stellaire devrait apparaître complètement brouillée. De Sitter a fait valoir qu'aucun des systèmes stellaires qu'il avait étudiés ne montrait le comportement d'effet optique extrême, et cela a été considéré comme le glas de la théorie ritzienne et de la théorie des émissions en général, avec .

L'effet de l' extinction sur l'expérience de de Sitter a été examiné en détail par Fox, et il sape sans doute la pertinence des preuves de type de Sitter basées sur des étoiles binaires. Cependant, des observations similaires ont été faites plus récemment dans le spectre des rayons X par Brecher (1977), qui ont une distance d'extinction suffisamment longue pour ne pas affecter les résultats. Les observations confirment que la vitesse de la lumière est indépendante de la vitesse de la source, avec .

Hans Thirring a soutenu en 1926, qu'un atome qui est accéléré pendant le processus d'émission par des collisions thermiques dans le soleil, émet des rayons lumineux ayant des vitesses différentes à leurs points de départ et d'arrivée. Ainsi, une extrémité du rayon lumineux dépasserait les parties précédentes, et par conséquent la distance entre les extrémités serait allongée jusqu'à 500 km jusqu'à ce qu'elles atteignent la Terre, de sorte que la simple existence de lignes spectrales nettes dans le rayonnement solaire réfute le modèle balistique. .

Sources terrestres

De telles expériences incluent celle de Sadeh (1963) qui a utilisé une technique de temps de vol pour mesurer les différences de vitesse des photons voyageant dans la direction opposée, qui ont été produites par annihilation de positons. Une autre expérience a été menée par Alväger et al. (1963), qui ont comparé le temps de vol des rayons gamma à partir de sources en mouvement et au repos. Les deux expériences n'ont trouvé aucune différence, conformément à la relativité.

Filippas et Fox (1964) n'ont pas considéré que Sadeh (1963) et Alväger (1963) avaient suffisamment contrôlé les effets de l'extinction. Ils ont donc mené une expérience en utilisant une configuration spécialement conçue pour tenir compte de l'extinction. Les données recueillies à partir de diverses distances détecteur-cible étaient compatibles avec l'absence de dépendance de la vitesse de la lumière sur la vitesse de la source, et étaient incompatibles avec le comportement modélisé en supposant c ± v avec et sans extinction.

Poursuivant leurs recherches précédentes, Alväger et al. (1964) ont observé π 0 - mésons qui se désintègrent en photons à une vitesse de la lumière de 99,9%. L'expérience a montré que les photons n'atteignaient pas la vitesse de leurs sources et voyageaient toujours à la vitesse de la lumière, avec . L'enquête sur les milieux traversés par les photons a montré que le décalage d'extinction n'était pas suffisant pour fausser le résultat de manière significative.

Des mesures de la vitesse des neutrinos ont également été effectuées. Des mésons voyageant presque à la vitesse de la lumière ont été utilisés comme sources. Puisque les neutrinos ne participent qu'à l' interaction électrofaible , l'extinction ne joue aucun rôle. Les mesures terrestres ont fourni des limites supérieures de .

Interférométrie

L' effet Sagnac démontre qu'un faisceau sur une plate-forme rotative couvre moins de distance que l'autre faisceau, ce qui crée le décalage du motif d'interférence. Il a été démontré que l'expérience originale de Georges Sagnac subissait des effets d'extinction, mais depuis lors, l'effet Sagnac s'est également révélé se produire dans le vide, où l'extinction ne joue aucun rôle.

Les prédictions de la version de Ritz de la théorie des émissions étaient cohérentes avec presque tous les tests interférométriques terrestres à l'exception de ceux impliquant la propagation de la lumière dans des milieux en mouvement, et Ritz ne considérait pas les difficultés présentées par des tests tels que l' expérience Fizeau comme insurmontables. Tolman, cependant, a noté qu'une expérience de Michelson – Morley utilisant une source de lumière extraterrestre pourrait fournir un test décisif de l'hypothèse de Ritz. En 1924, Rudolf Tomaschek a effectué une expérience modifiée de Michelson – Morley en utilisant la lumière des étoiles, tandis que Dayton Miller a utilisé la lumière du soleil. Les deux expériences étaient incompatibles avec l'hypothèse de Ritz.

Babcock et Bergman (1964) ont placé des plaques de verre rotatives entre les miroirs d'un interféromètre à chemin commun installé dans une configuration de Sagnac statique . Si les plaques de verre se comportent comme de nouvelles sources de lumière de sorte que la vitesse totale de la lumière émergeant de leurs surfaces soit c  +  v , un décalage du motif d'interférence serait attendu. Cependant, il n'y avait pas un tel effet qui confirme encore une fois la relativité restreinte, et qui démontre encore une fois l'indépendance de la source de la vitesse de la lumière. Cette expérience a été exécutée dans le vide, les effets d'extinction ne devraient donc jouer aucun rôle.

Albert Abraham Michelson (1913) et Quirino Majorana (1918/9) ont mené des expériences d'interféromètre avec des sources au repos et des miroirs en mouvement (et vice versa), et ont montré qu'il n'y a pas de dépendance à la source de la vitesse de la lumière dans l'air. L'agencement de Michelson a été conçu pour distinguer trois interactions possibles des miroirs en mouvement avec la lumière: (1) "les corpuscules de lumière sont réfléchis comme des projectiles d'une paroi élastique", (2) "la surface du miroir agit comme une nouvelle source", (3) "la vitesse de la lumière est indépendante de la vitesse de la source". Ses résultats étaient cohérents avec l'indépendance de la source de la vitesse de la lumière. Majorana a analysé la lumière des sources mobiles et des miroirs à l'aide d'un interféromètre de Michelson à bras inégal extrêmement sensible aux changements de longueur d'onde. La théorie des émissions affirme que le décalage Doppler de la lumière d'une source en mouvement représente un décalage de fréquence sans décalage de longueur d'onde. Au lieu de cela, Majorana a détecté des changements de longueur d'onde incompatibles avec la théorie des émissions.

Beckmann et Mandics (1965) ont répété les expériences de miroir mobile de Michelson (1913) et Majorana (1918) dans un vide poussé, trouvant que k était inférieur à 0,09. Bien que le vide utilisé était insuffisant pour exclure définitivement l'extinction comme raison de leurs résultats négatifs, il était suffisant pour rendre l'extinction hautement improbable. La lumière du miroir en mouvement passait à travers un interféromètre Lloyd , une partie du faisceau parcourant un chemin direct vers le film photographique, une partie se reflétant sur le miroir Lloyd. L'expérience a comparé la vitesse de la lumière voyageant hypothétiquement à c + v à partir des miroirs en mouvement, par rapport à la lumière réfléchie voyageant hypothétiquement à c du miroir Lloyd.

Autres réfutations

Les théories d'émission utilisent la transformation galiléenne, selon laquelle les coordonnées de temps sont invariantes lors du changement de trame ("temps absolu"). Ainsi l' expérience Ives-Stilwell , qui confirme la dilatation relativiste du temps , réfute également la théorie d'émission de la lumière. Comme le montre Howard Percy Robertson , la transformation complète de Lorentz peut être dérivée lorsque l'expérience Ives – Stillwell est considérée conjointement avec l'expérience Michelson – Morley et l'expérience Kennedy – Thorndike .

De plus, l'électrodynamique quantique place la propagation de la lumière dans un contexte totalement différent, mais toujours relativiste, totalement incompatible avec toute théorie postulant une vitesse de la lumière affectée par la vitesse de la source.

Voir également

Les références

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Liens externes

  • de Sitter (1913) sur les étoiles binaires comme preuve contre la théorie des émissions de Ritz.