Шлях, яким було введено 4-вектори, не єдиний. Зараз ми введемо 4-вектори іншим чином, а поряд з цим дамо пояснення важливого фізичного ефекту — оптичного ефекту Доплера.
Розглянемо деяку плоску хвилю . Просторово-часова залежність поля визначається експонентою
exp
За таким законом поширюються досить часто хвилі оптичного діапазону, радіохвилі, телевізійні сигнали. Мається на увазі, що вся залежність від часу та просторових змінних міститься в експоненті, а значення полів визначаються, якщо її домножити на постійний вектор ( або Но ).
Розглянемо умови, за яких значення полів є постійними. Очевидно, що поле має постійне значення тоді, коли фаза коливання kr —wtрівна константі. Розглянемо плоску хвилю в деякий момент часу t0. Умова постійності поля набуває вигляду
(1)
що є рівняння площини, перпендикулярної до вектора к. Тобто можемо уявити собі поширення такої хвилі наступним чином. Постійне значення поля в деякий момент часу t0зосереджене на площині (1). При збільшенні t константа в правій частині рівняння (1) збільшується і площина, на якій поле незмінне, «рухається» перпендикулярно до напряму вектора k з фазовою швидкістю w/k. Інше постійне значення поля знаходиться на паралельній площині й рухається аналогічним чином. Тому цю модель хвилі й називають плоскою. Фаза kr — wt є скаляр і тому не залежить від системи відліку, в якій її вимірювати. Вона є інваріант перетворення:
K y x′ x z′ z
Легко бачити, що вираз (2) є скалярний добуток двох 4-векторів, як його визначали раніше (5.37). Чотири множники х, у, z, —ct є коваріантними координатами 4-вектора, після множення на інші чотири множники кх, ку, kz, и/с утворюється величина, що не залежить від системи відліку, отже маємо право назвати її хвильовим 4-векторомі позначити
(3)
Як і належить 4-вектору, при переході до рухомої системи координат він перетворюється згідно з (11). Нехай у системі К' є джерело (рухається разом з К' ) електромагнітної плоскої хвилі. Нехай також компоненти хвильового 4-вектора в системі К дорівнюють
а в системі К' відповідно:
Оскільки квадрат 4-вектора є інваріант перетворення, то
Цей квадрат дорівнює нулеві, оскільки йдеться про поширення світла зі швидкістю с, а тому інтервал — нульовий.
Нехай кут між віссю х та вектором k дорівнює (див. рис. 5.4). Відповідно між віссю х' та вектором к'— кут . Тоді хвильові 4-вектори в системах К та К' запишемо у вигляді
У цих виразах враховано, що хвильовий вектор відповідним поворотом системи координат можна розташувати в площині X0Y.
Запишемо перетворення Лоренца для переходу від системи координат К до К' для вектора :
Перепишимо четверте рівняння для у вигляді
де враховано (7) і . Це є абсолютно точна формула для ефекту Доплерав оптиці. Розглянемо три випадки:
1. . Він має місце, якщо рухома система координат «доганяє» систему К. Тоді співвідношення (9) спрощується до
У граничному випадку V <<c ця формула збігається з результатами класичної теорії, . Джерело наближається до спостерігача і той сприймає збільшене значення частоти.
2.. Такий випадок має місце, якщо рухома система координат віддаляється від системи К.. В цьому випадку співвідношення (9) спрощується до:
Спостерігач буде фіксувати зменшене значення частоти. При V<<c маємо формулу, що збігається з класичною .
3. Такий випадок може мати місце, коли система К', пролітаючи повз К, випромінює електромагнітну хвилю в той момент, коли відстань між системами не змінюється (точно по перпендикуляру). Тоді має місце так званий поперечний ефект Доплера з частотою
Цей ефект не має класичного пояснення, оскільки є цілком релятивістським. Він пов'язаний із тим, що
час у цих двох системах координат1 «іде по-різному» (зверніть увагу на множник ). Цей ефект квадратичний.
У наближенні формула (5.80с) набуває вигляду (1 — V2/с2). Це дуже малі величини, тому експериментально його було досліджено лише в 1938 р. (Айвс на пучкові швидких атомів водню).
З ефектом Доплера тісно пов'язані деякі сучасні фізичні уявлення та моделі, про які необхідно розповісти.
Червоний зсув
Нагадаємо, як у астрономії вимірюють відстані до зірок. Оскільки діаметр земної орбіти становить приблизно 300 млн. км, то вимірюючи кут між площиною земної орбіти та напрямом на зірку з інтервалом у півроку, можемо з простого прямокутного трикутника визначити катет (відстань до зірки) за відомим кутом і другим катетом1.
Проте зазначеним способом можна виміряти лише
відстані не більші ніж
300 світлових років2. Але ж відомо, що Всесвіт —весь матеріальний світ, що нас оточує, досяжний для спостережень — має набагато більші розміри, 10 млрд світлових років (вік Всесвіту — 10-20 млрд років). Самий термін «розмір Всесвіту» потребує уточнення (див. нижче).
Принципово інша можливість вимірювання відстаней з'явилась з 1929 р. Як виявилось, Всесвіт «розширюється», тобто Галактики «розбігаються» одна від одної. Цей факт був встановлений експериментально Хабблом (1929) за зміщенням положення спектральних ліній хімічних елементів у спектрах далеких зірок. Якщо спрямувати спектральний прилад на віддалену зірку, весь спектр як ціле буде зсунуто в бік більших довжин хвиль (у бік інфрачервоного діапазону). Причому величина цього зсуву тим більша, чим далі від нас знаходиться зірка. Оскільки «зсув» відбувається в бік збільшення довжин хвиль, то явище має назву червоний зсув. Якщо відстань до галактики позначити через R, а радіальну компоненту швидкості її віддалення dR/dt, то закон, встановлений Хабблом, матиме вигляд
, де
Величина Н називається сталою Хаббла. Вимірявши величину зсуву в одиницях довжини хвилі, неважко перейти до частотного зсуву. Яка саме частота випромінюється, відомо з лабораторних експериментів, вимірюване значення частоти також відоме, тому згідно з (12§7) можливо обчислити швидкість «віддалення» зірки. А далі відповідно до формули (1) знайти відстань до неї.
Експерименти, виконані Хабблом, дозволили зробити вибір між двома моделями Всесвіту, що були відомі на той час. У 1915 р. Ейнштейн остаточно сформулював рівняння загальної теорії відносності. Практично відразу він знайшов розв'язок цих рівнянь, який існує лише при додатковому включені в рівняння так званої космологічної сталої, що визначається середньою густиною речовини Всесвіту. Цей розв'язок тепер називають стаціонарною моделлю Всесвіту. Згідно з цим розв'язком Всесвіт мав бути в середньому стаціонарний, незмінний з постійним значенням «розміру». У 1922 р. Фрідман отримав розв'язок тих самих рівнянь для випадку нульового значення космологічної сталої, який тепер називають нестаціонарною моделлю Всесвіту. Відповідно до цього розв'язку близько 10-20 млрд років тому Всесвіт утворився з надзвичайно малого об'єму завдяки початковому вибуху і в наш час процес розширення продовжується. Через багато мільярдів років він зміниться на зворотний. Експериментальні дослідження Хаббла дозволили визначити космологічну сталу. За сучасними космологічними даними вона або нульова, або надзвичайно мала (менша за 10~51см~2). Отже, дослідження Хаббла підтвердили модель нестаціонарного Всесвіту.
Щодо поняття «розмір Всесвіту» слід зробити декілька коментарів. Одразу ж звернемо увагу на те, що йдеться про настільки незвичні для нас масштаби, що не маємо ніяких підстав переносити наші повсякденні уявлення на цей діапазон (як не маємо права переносити результати макроскопічних спостережень на певні явища мікросвіту). Зокрема, як виявилось, наші уявлення про однорідний, ізотропний простір справедливі лише в межах звичних для нас відстаней та об'ємів. Постулати про паралельні прямі, суму кутів трикутника, евклідову геометрію тощо, треба сприймати як моделі, що добре працюють, для відносно малих просторових об'ємів, як кажуть, локально евклідові. А для розмірів, набагато більших за звичні, треба дещо змінювати свої уявлення. Виявляється, простір Всесвіту «кривий», якщо мати на увазі досить великі відстані. Можна навіть обчислити кривизну нашого трьохвимірного простору, як це свого часу зробив Ріман — побудував функцію, яка є кривизною трьохвимірного простору. Звичайно, зрозуміти, що трьохвимірний простір кривий, досить важко. Ми добре розуміємо, що деяка поверхня може бути кривою і розуміємо, що таке радіус кривизни цієї поверхні. Виявляється, що кривою може бути не лише поверхня, але й простір. Це знаходить своє відображення в тому, що в кривому просторі сума кутів трикутника не дорівнює 180°. Правда, для того, щоб це виявити, треба брати досить великий трикутник1.
Яке поняття у нас з вами асоціюється з прямою лінією? Найкраще, напевно, світловий промінь. Та якщо спрямувати промінь у деякому напряму і почекати досить довго (10 млрд років), то він до нас повернеться, але з іншого боку, бо його поширення відбувається прямолінійно (за нашими уявленнями) лише для відносно малих об'ємів (для них якраз і можемо вважати геометрію локально евклідовою).
Коли намагаються пояснити ці поняття, то вдаються до такого прикладу. Уявімо собі сферу досить великих розмірів і нехай на поверхні цієї сфери мешкають двовимірні істоти — вони розуміють тільки координатні осі (а ми відповідно лише три). Що таке третя координатна вісь, вони не розуміють. Якщо на своїй сфері вони малюють невеличкий трикутник, то сума кутів такого трикутника дорівнює 180° — їх геометрія локально евклідова. Але якщо вони намалюють досить великий трикутник (розміри сторін порівняно з радіусом сфери), то сума кутів такого трикутника виявиться більшою за 180°. їм важко зрозуміти в чому справа, промінь який вони випромінюють у одному напрямку повертається до них з іншого боку (нехай у них і світло також не буде мати третьої координати). Проте нам з вами все очевидно — їх світ кривий, оскільки сфера має скінчений радіус. Щоправда, цю аналогію не варто механічно переносити на трьохвимірний простір, але є над чим подумати.
Наведений приклад допомагає якось пережити (але не зрозуміти), чому наш Всесвіт має скінченні розміри, але до межі його дійти неможливо.