Efekt Dopplera –zarówno w akustyce jak i w optyce- pozwala wykryć względną prędkość liniową ruchu postępowego nadajnika fal i ich detektora.
Ta możliwość wynika ze zmiany częstotliwości fal nadbiegających do detektora ,a wielkość tej zmiany jest zależna od prędkości względnej źródła i detektora według znanego wzoru dla fal mechanicznych[1] :
Gdzie f(0)- częstotliwość odbieranej fali, f(z) – częstotliwość żródła nadawanej fali, v-prędkość fali, v(o)-prędkość obserwatora/detektora ,v(z)- prędkość nadajnika fal.
Efekt Dopplera w świetle jest podwójny: liniowy i poprzeczny oraz jego natura jest inna od natury efektu Dopplera dla fal mechanicznych.
Ogólny,przybliżony wzór dla liniowego efektu to
gdzie v-prędkość swiatła, a kąt y "fi-zero" , oraz "fi-z" są kątami jakie tworzą z prostą łączącą "żródło-detektor" odpowiednio wektory prędkości : detektora i źródła.
A uproszczona wersja , przy prędkościach źródła i detektora dalekich od c jest
gdzie zamiast v jest już tradycyjnie c.
Tzw. liniowy efekt Dopplera dla światła, poglądowo mozna przedstawić tak
rys.1
Przy oddalaniu się obiektu świecącego ,obserwator widzi poczrwienienie światła [ red schift ].Na przykład widmo światła galaktyki oddalającej się od nas , jest przesunięte w stronę fal dłuższych (mniejsza częstotliwość], a przy zbliżaniu jest przeciwnie: odbiera światło o długości fali mniejszej
( częstotliwości większej- blue shift ).
Efekt Dopplera może także wystąpić, gdy rozciągłe przestrzennie źródło(nadajnik) emitujące fale świetlne , wykonuje ruch obrotowy o osi obrotu tworzącej z kierunkiem„ źródło- detektor” kąt różny od zera.
Bowiem na skutek takiego obrotu źródła fal świetlnych, pewne części powierzchni „nadajnika” zbliżają się do detektora ,a inne oddalają się od niego.
W ten sposób wykryto przesunięcie linii spektralnych światła emitowanego przez Słońce, ponieważ jeden brzeg widzialnej tarczy słonecznej zbliża się do nas ,a drugi oddala i w konsekwencji, brzegi te, dla obserwatora ziemskiego, mają różne zabarwienie(pierwszy- lekko niebieskie, drugi- lekko czerwone).
Jednak, gdyby oś obrotu Słońca była równoległa do kierunku ”Słońce- spektroskop sprzężony z teleskopem”[czyli równoległa do promienia widzenia tarczy], to nie obserwowalibyśmy efektu Dopplera ,związanego z ruchem obrotowym Słońca, bo wszystkie części tarczy słonecznej pozostawałyby w tej samej odległości od spektroskopu(rząd efektu poprzecznego Dopplera wywołanego grawitacyjną dylatacją czasu jest tak mały , że z powodzeniem mogę go pominąć w dalszych rozważaniach).
I w tym miejscu, aktualny etap rozwoju fizyki płata figla. Pojawiają się dwa zespoły fizyków eksperymentalnych ze Szkocji:
University of Glasgow,
oraz
University of Strathclyde,
również w Glaskow (UK),
wśród których liderują- Martin P.J. Lavery i Fiona C.Speirits
2 sierpnia bieżącego roku w „Science” ukazuje się ich praca [2], w której autorzy prezentują hipotezę rotacyjnego efektu Dopplera dla światła, efektu różnego od liniowego i poprzecznego efektu).
Nic dziwnego ,albowiem nie zapominajmy,że ci fizycy pracują w ojczyźnie Jamesa Clerka Maxwella i doskonale wiedzą, że od czasu wystąpienia J.C.M. przyjmuje się, że natura światła ma strukturę fali elektromagnetycznej [3].
Wektory E i B fali świetlnej są sprzężone ze sobą i w fali płaskiej rozchodzącej się w próżni, są zawsze prostopadłe zarówno do siebie ,jak i do kierunku propagacji fali (rys.2), ale jednocześnie są zmienne co do kierunku, wartości i zwrotu.
rys.2
Taka fala elektromagnetyczna przypomina jeża posuwającego się w określonym kierunku.
Tymczasem fala świetlna (fala elektromagnetyczna) , której oscylacje wektorów E i B są w jakiś sposób przestrzennie uporządkowane, nosi nazwę fali spolaryzowanej.
Światło spolaryzowane, to fala elektromagnetyczna o przestrzennym uporządkowaniu drgań wektorów E i B.
Jeżeli w wybranym punkcie przestrzeni, kierunek wektora natężenia pola elektrycznego fali jest cały czas taki sam, to taka fala, jest nazywana falą spolaryzowaną liniowo .
Jeżeli wartość natężenia pola elektrycznego jest stała, a jego kierunek zatacza okrąg w czasie jednego okresu fali , to mamy do czynienia z falą spolaryzowaną kołowo.
Podczas polaryzacji eliptycznej natężenie pola elektrycznego zmienia wartość i kierunek tak, że koniec jego wektora zatacza elipsę .
Rys.3 a-c
W dwóch ostatnich rodzajach polaryzacji ,mamy do czynienia z propagacją energii pola ExB w ruchu postępowym do przodu( wektor strumienia energii-pędu Poyntinga-Umowa),oraz dodatkowo pojawia się energia ruchu obrotowego.
Występuje więc wektor momentu pędu określający rotację wektora E.W istocie, światło porusza się w przestrzeni jak korkociąg, jego przemieszczanie jest linią śrubową( w matematyce-helisą).
M.Lavry trafnie przewidział ,że spolaryzowane kołowo światło, emitowane przez ciało wirujące będzie miało zmienioną częstotliwość na skutek wzajemnego oddziaływania dwóch wektorów: wektora momentu pędu wirującego nadajnika i wektora momentu pędu emitowanej spolaryzowanej kołowo fali świetlnej.
Z analizy matematycznej problemu otrzymał wynik: zmiana częstotliwości światła spolaryzowanego kołowo i emitowanego przez wirujący nadajnik, powinna być proporcjonalna do iloczynu częstości obrotowej obiektu emitującego światło i orbitalnego momentu pędu spolaryzowanego światła.
Mierząc tę zmianę, oraz propagowany moment pędu promienia świetlnego, można obliczyć prędkość kątową źródła światła.
Jesteśmy w obrębie fizyki , toteż jest oczywiste , że szkocka grupa badawcza pod wodzą M.Lavery nie mogła poprzestać na hipotezie i rozwiązaniach równań,lecz eksperymentalnie musiała wykazać prawdziwość przypuszczenia o oddziaływaniu momentu pędu wirującej bryły, na moment pędu spolaryzowanej wiązki fal elektromagnetycznych (światła)i tym samym pośrednio na częstotliwość fal tej wiązki.
I to zrobiła - w bardzo sprytny sposób.
Wytworzono dwa promienie laserowe równoległe, o polaryzacji kołowej przeciwnej i doprowadzono ich fazy i częstotliwości do takich wartości, by wystąpiła między nimi interferencja konstruktywna.
Taką dwu-promieniową wiązkę światła z wewnętrzną interferencją konstruktywną ,skierowano na wirującą tarczę (oś obrotu równoległa do wiązki), na której wiązka ta podlegała odbiciu.
I co się okazało?
Pomiarowo stwierdzono zaburzenie interferencji konstruktywnej w odbitej wiązce tych dwóch promieni!
Z faktu tego wyprowadzono wniosek, że częstotliwość fali promienia odbitego musiała ulec zmianie w stosunku do częstotliwości promienia padającego.
Mamy więc jednak do czynienia z efektem Dopplera. Albowiem jeden promień światła ma moment pędu zgodny z momentem pędu tarczy ,a drugi promień-przeciwny.
Dalsze pomiary wykazały , że wielkość zaburzenia interferencji zależy od prędkości kątowej wirującej tarczy, oraz od modów polaryzacji promieni emitowanych, które padają na tarczę.
Odkrycie doświadczalne rotacyjnego efektu Dopplera w optyce przez szkockich fizyków ,oprócz znaczenie technicznego [ np. możliwość pomiaru prędkości kątowych ruchu obrotowego obiektów ziemskich ,oraz w astronomii- gwiazd] ma także znaczenie teoriopoznawcze.
Po pierwsze ,to kolejny dowód empiryczny prawdziwości elektrodynamiki klasycznej J.C.Maxwella.A dokładnie ,potwierdzenie prawdziwości hipotezy wynikającej z teorii J.C.Maxwella o istnieniu momentu pędu w polu elektrycznym fali ExB, równocześnie z wektorem energii-pędu.Niezwykła głębia tego modelu działania przyrody, oraz płodność teoriopoznawcza jego formalizmów matematycznych są zadziwiające.
Właściwie są trzy monumentalne modele teoretyczne natury rzeczywistości, do której należymy i którą poznajemy.Mechanika klasyczna Newtona,elektrodynamika J.C.Maxwella i teoria względności A.Einsteina.Ich płodność teoriopoznawcza i wpływ na technologię[cywilizację] jest ogromny i wciąż otwiera nowe perspektywy.
Po drugie, okazało się że efekt ten może być równoważnie zinterpretowany w ramach kwantowego modelu pola elektromagnetycznego. W tym modelu operuje się pojęciem kwantowego momentu pędu fotonów (spinu) i dochodzi się do tego samego wzoru na zmianę częstotliwości pod wpływem oddziaływania między wektorami momentu pędu „lustra” wirującego, a spinem fotonów spolaryzowanych.
Dwudziestowieczne przekonanie o nieusuwalnym konflikcie teoriopoznawczym modeli klasycznego i kwantowego zjawisk przyrody, powoli lecz systematycznie, odchodzi do lamusa historii fizyki.
Literatura
[1] H.D.Young,R.A.Freedman,University Physics with Modern Physics,N.Y. 2004,rozdz.37.6,str.1423-1426
[2] M. P. J. Lavery, F. C. Speirits, S. M. Barnett, M. J. Padgett, Detection of a Spinning Object Using Light’s Orbital Angular Momentum, Science, Vol. 341, No. 6145. 2013, s. 537-540
[ praca dostępna jest tutaj:PDF: Lavery et al 2013 b - University of Glasgow
[3]D.Halliday,R.Resnick,J.Walker,Podstawy fizyki,tom 4,PWN,Warszawa,2003,rozdz.34,str.3-30
