Эврика! Дом творческих и вдумчивых людей
Добро пожаловать на первый в Латвии мультитематический и межвузовский научный портал!

Сделать стартовой
Добавить в избранное
Контакты
 
   Главная      Эврика      Библиотека      Досуг      Контакты     БДС  

Библиотека : Публикации латвийских ученых : Физика





Владимир Макаров

Об эффекте группирования, замедлении света и модели оптической среды

Памяти Вальтера Ритца

Гипотеза волновых свойств света объясняет интерференцию с нарушением закона сохранения энергии. Приведена другая гипотеза и проведен эксперимент, её подтверждающий. Показаны ошибка в объяснении результатов опытов Майкельсона- Морли и необоснованность отклонения эмиссионной теории Вальтера Ритца. Представлена модель оптической среды, позволяющая объяснить опыты Физос водой и другие опыты с подвижными средами с позиции этой теории. На основе проведенного эксперимента показано замедление света при прохождении через оптическую среду.

The paper argus that the explanation for interference given by the wave theory of light contradicts the energy conservation principle. The paper puts forward an alternative theory and describes experimental results in support of it . The paper demonstrates the error in the way the results of the Michelson–Morley experiment have been interpreted; it also argues that the rejection of Walther Ritz's emission theory has been ill-founded. The paper presents a model of optical environment that allows to explain the Fizeau experiments with water as well as other experiments снова on fluid environments from the point of view of this theory.The experiment described in the paper shows a slowing of speed of light passing through an optical environment.

  1. Вступление

« Кладбище погребённых надежд... Мы должны проверять старые идеи, хотя они и принадлежат прошлому, ибо это единственное средство понять важность новых идей и границы их справедливости»(А. Эйнштейн). Мы легко соглашаемся с этим долгом, но желание отдать его возникает не часто. Это приводит к вере во что-то, принимаемое за непреложную истину, неизменную при всех обстоятельствах, т.е. к догме. Некоторые из объектов веры становятся основой для новых теорий, с новыми постулатами, законами и парадоксами. И возникают объекты для веры. Особенно много их связано с светом.

  1. От света к волне в эфире, которого нет

Во времена Ньютона свет представлялся как поток частиц, летящих с большой скоростью. Но дальнейшие наблюдения, особенно за картинами на экране от света, пропущенного через небольшие отверстия или узкие щели, изменили это представление. Эти картины очень похожи на интерференционные картины при наложения волн, рассматриваемые в акустике. Вывод: распространение света аналогично распространению акустических волн. Возникает вопрос: в какой среде? Учитывая скорость распространения света, в качестве такой среды приняли заполняющий всё эфир, приписав ему экзотические свойства почти идеальной твёрдости при отсутствии трения при прохождении в нём каких -либо тел. Положение не улучшилось с представлением света как распространение возмущения в эфире, приписав частицам эфира электромагнитные свойства, т.е. в виде электромагнитной волны. В этом случае процессы распространения описываются электродинамикой Максвела. Возникла необходимость доказать наличие эфира. По идее Джеймса Максвела, используя Землю как движущееся в предполагаемом эфире тело, Альберт Майкельсон и Генри Морли провели интерференционные опыты для выявления движения в эфире. Результат для верящих в наличие эфира оказался ошеломительным: движение в эфире не обнаруживалось! Пытаясь объяснить результаты опытов, не отказываясь от эфира и теории Максвела, Гендрик Лоренц и Джордж Фитцджеральд выдвинули гипотезу: размеры тел сокращаются в направлении движения. Применение этой гипотезы приводит к требованию изменения скорости течения времени на движущемся в эфире объекте (инерциальной системе) в сравнении с течением времени на объекте (другой инерциальной системе), неподвижном относительно эфира. Описание этих изменений отражены в «преобразованиях Лоренца», разработанные с участием математика Анри Пуанкаре. В заслугу Альберта Эйнштейна ставится то, что он разглядел физический смысл в изменениях размеров и скорости течения времени. Основываясь на результатах опытов Майкельсона-Морли, введя постулаты в виде «принципа относительности» и «принципа постоянства скорости света», Эйнштейн разработал специальную теорию относительности (СТО), в соответствии с которой в любой инерциальной системе скорость света в вакууме имеет относительно наблюдателя постоянную величину. Математический аппарат в теории имеет вид, аналогичный разработанному Лоренцем-Пуанкаре. Отмечающиеся в теории парадоксы затмевались её достоинством: отпала необходимость в эфире.

  1. От «больщого взрыва» к большому сомнению, а от сомнения к гипотезе

Наблюдая за значительно удалёнными космическими объектами Карл Вирц и Эдвин Хаббл заметили закономерность: чем удалённее находится объект, тем больше спектр его лучей смещён в «красную» сторону. Эти наблюдения и ограничения в скорости, налагаемые СТО, привели к современному представлению о расширяющейся Вселенной. Логичным продолжением явилась теория «большого взрыва» и «сингулярной точки», взрывом которой и началось расширение. И нам предлагают в это верить. Так может быть в описанной цепочке основополагающих моментов есть основание для сомнений? Пройдёмся ещё раз. О волнах. Волны в среде описываются акустической теорией без нарушения закона сохранения энергии. В современном представлении волны света не являются акустическими. Если рассматривать обычный интерференционный опыт с двумя точечными источниками когерентного света, то на месте тёмной полосы можно фиксировать энергию от каждого источника, но при совместном воздействии источников фиксируется энергия меньше суммы от каждого. Нарушение принципа сохранения энергии приводит к сомнению в приписывании свету волновых свойств. Присвоив свету волновые свойства, длины волн и их частота определяются по расположению интерференционных полос относительно источников света в соответствии с волновой теорией в оптике. Если рассматривать свет как поток частиц, то возникновение тёмных и светлых полос возможно в результате эффекта группирования частиц света при изменении направления части потока (экспериментальное подтверждение этой гипотезы приведено ниже).Если принять за причину возникновения интерференционной картины эффект группирования частиц, то волновая теория описывает некоторые закономерности распределения интенсивности световых потоков, а сами волны являются условными. Приняв эту гипотезу, будем их считать «волнами Гюйгенса-Френеля», не отказываясь в дальнейшем тексте от привычных терминов, относящихся к волнам.

  1. К чему привела логическая ошибка

Для движения частиц света нет необходимости в какой-либо среде, поиски которой опытами Майкельсона- Морли оказались безуспешными. Так как эти опыты оказали огромное влияние на развитие физики и являются экспериментальным обоснованием СТО, рассмотрим их более подробно. В теоретическом обосновании опыта рассматривалось движение луча света в системе координат, движущихся со скоростью V относительно неподвижного эфира. Эфир рассматривается как среда, необходимая для распространения волн. Луч рассматривается как точка находящаяся на фронте волны, испущенной источником света. Источник света и приёмник отражённых волн находятся в начале координат. Отражение происходит в точках, равноудалённых от начала ортогональных координат. Рассчитанные с момента излучения времена прихода отражённых лучей различны, с коэффициентом отношения 1/(1-V2/C2)1/2, вошедшего в дальнейшем в преобразование координат теорий Пуанкаре-Лоренца-Эйнштейна. «При повороте всего прибора на 90 градусов следует ожидать изменения интерференционной картины, по которому и можно судить о влиянии движения Земли на интерференционный опыт и вычислить абсолютную скорость этого движения в эфире».[1] Здесь логическая ошибка. Ожидание изменения картины не обосновано. Напротив, картина создаётся не только лучами, отражёнными в указанных точках, но также множеством лучей, отражённых в области вокруг этих точек. В теоретическом обосновании они не рассматривались. Подобная ситуация рассматривается в акустике, к которой относится и рассматриваемый опыт, так как в качестве среды привлечён эфир. При совместном движении излучателя и приёмника картина должна оставаться неизменной. Описанные опыты не могут подтвердить или опровергнуть наличие предполагаемого эфира. Но на основании этих опытов появилась гипотеза Лоренца-Фитцджеральда о сокращении размеров в направлении движения, приведшая к созданию математической конструкции Лоренца-Пуанкаре с «преобразованиями Лоренца». В этих преобразованиях пространство и время теряют свою инвариантность. «Преобразования Лоренца» вошли в СТО вместе с постулатом о независимости скорости света. Экспериментальной основой для постулатов служат сами опыты. А СТО с её дальнейшим развитием в ОТО (общую теорию относительности) стало основой для современной физики. Таким образом, «преобразования Лоренца», выведенные при рассмотрении движения в эфире вошли в СТО, которое эфир и отменяет. А рассматривался ли вариант объяснения опытов при отсутствии гипотетического эфира, с позиции эмиссионной теории?

  1. О соответствии теории истечения опытам. Возражения Паули

Вальтер Ритц(1878-1909) для объяснения результатов опытов Майкельсона-Морли предложил гипотезу, в соответствии с которой частицы света излучаются с постоянной скоростью относительно источника излучения в момент излучения (эмиссионная теория или теория истечения). Эфир, как необходимая среда для распространения, отсутствует. Эта гипотеза была отклонена. Возражения против этой гипотезы Вольфганг Паули изложил в [2] Вот выдержки из этой книги относительно теорий истечения: «Так как принцип относительности в них удовлетворяется сам собой, все они объясняют результат опыта Майкельсона. Необходимо, однако, выяснить, согласуются ли теории истечения со всеми остальными оптическими явлениями», «… принятие принципа относительности и положения о постоянстве скорости света приводит к изменению старых понятий о времени. Поэтому Ритц и независимо от него Толмен, Кунц и Комсток подняли вопрос о возможности, отказавшись от принципа постоянства скорости света и сохраняя только первый принцип, построить теорию, согласующуюся с опытом и в то же время не приводящую к таким радикальным изменениям. Ясно, что при этом необходимо отбросить не только существование эфира, но и уравнения Максвелла для пустоты, и, таким образом, вся электродинамика должна быть построена заново. Это было выполнено в форме систематической теории только Ритцем», «Заметим прежде всего, что теории истечения не согласуются с молекулярным объяснением преломления и отражения света, для которого существенно предположение об интерференции падающей волны с вторичными волнами…». «… теории истечения позволяют объяснить фундаментальный для оптики движущихся сред опыт Физо (см. § 6) лишь с помощью искусственных дополнительных гипотез.» Предположение о преломления и отражения света, а также распространении света в среде как результате интерференции между падающим лучом и рассеянным при молекулярном объяснении основано на волновых свойствах света. Может ли эмиссионная теория объяснить результаты опытов Физо с водой?

  1. Опыты Физо с водой и модель оптической среды

Опыты Физо с водой с позиции гипотез Ритца. Основные гипотезы Вальтера Ритца при рассмотрении распространения света: «Скорость света … зависит от скорости, которой обладало испустившее свет тело в момент испускания. С этого момента скорость частиц остаётся неизменной и не зависит от дальнейшего движения точки Р, даже если частицы проходят через весомые тела или электрические заряды», «Частицы энергии будут здесь излучаться с постоянным и одинаковым начальным импульсом, они двигаются по прямой линии до встречи с каким-либо телом, которое их отклоняет. Все эти процессы являются чисто механическими, следовательно, они удовлетворяют принципу относительности». Положим эти гипотезы в основу рассмотрения опыта Физо. Рассмотрим интерференционный опыт с движущейся водой, выполненный Армандом Физо в 1851 году. На Fig 1 обозначен участок трубы длиною L с оптической средой (вода).

Fig1

При неподвижной воде время прохождения светом этого участка определяется скоростью света С в свободном пространстве и коэффициентом преломления воды n. В рассчёте в соответствии с теорией Герца рассматриваются прохождение светом участков с движением воды в совпадающем и противоположном направлениях при условии постоянства коэффициента преломления и полным увлечением света водой.При совпадающем направлении длина пройденного пути относительно воды на участке трубы L соответствует L1=ob. В противоположном направлении соответствует L2=oc. Разница L2-L1 определяет величину смещения полос в интерферометре. Для движения света в свободном пространстве разница выражается величиной b2c1.Результаты опытов показали, что теоретическое (т.е. при полном увлечении света водой) значение разности хода больше полученных опытным путём в коэффициент Френеля, выведенному при предположении уплотнения (с сохранением упругости) эфира внутри движущегося тела: К=(1-1/n2). Если исходить из эмиссионной теории Ритца, то частицы света распространяются в оптической среде со скоростью вхождения в эту среду. Это соответствует представлению распространения частиц через систему зеркал. Этими «зеркалами» является структура оптической среды. Траектории частиц света направлены под углом к направлению движения фронта потока света вдоль L. Этот угол определяется коэффициентом преломления среды. Рассмотрим прохождение частицы света в модели оптической среды, изображённой на Fig 1, при прохождение от одной точки отражения до другой, разнесёнными на расстояние L по длине трубы. При неподвижной воде время прохождения L определится временем прохождения участка оа2 со скоростью С. Пусть в т. о и т. а2 находятся отражатели. Рассмотрим траекторию частицы при условии движения воды навстречу, когда первое отражение происходит в т. о. Следующее отражение произойдёт в т. b1 , куда за время пролёта частицы переместится отражатель из т. а2. Отражённая частица с той же скоростью достигнет т. а3, находящейся на границе рассматриваемого участка. Длина Оа1 соответствует длине рассмотренной траектории. Аналогично, при противоположном движении воды второе отражение произойдёт в т. с2. Траектория частицы на участке трубы закончится в т. а3. Углы наклона оb1 ( оа1) и оа3 (ос2) относительно оси х (вдоль оси трубы) определяют коэффициенты преломления n1 и n2, т. е. они зависимы от скорости и направления воды. Нахождение оb1и ос2 сводится к решению кинематики кулисного механизма. Разница в длине траекторий частицы света при прохождении в противоположных направлениях определится как oa1- oa3. Как она отличается от b2c1, рассмотренной по теории Герца? Для коэффициента преломления воды n=1,333 и выбранной для примера скорости V=0,0001C отношение (oa1- oa3)/b2c1 =0,4372 , совпадает с коэффициентом Френеля в широких пределах для V. Совпадение результатов, полученных исходя из разных теорий, вызывает доверие. Таким образом, представление о прохождении света через оптическую среду на основе эмиссионной теории Ритца и описанной выше модели соответствует кинематике отражения. В соответствии с этими представлениями следуют выводы: -свет не увлекается средой; -после прохождении оптической среды величина скорости света остаётся неизменной ; -при отражении скорость падающего и отражённого света одинакова; -коэффициент преломления среды для проходящего через него света зависит от скорости вхождения света в среду. Зависимость n от скорости вхождения светав среду необходимо учитывать при определении скорости тел инструментами, содержащими призмы или им аналогичным приборам. Скорости космических тел, определяемые по положению спектральных линий с учётом зависимости изменения коэффициента преломления инструмента от скорости входящего в него света оказываются значительно меньшими при сравнении с измеряемыми по изменению частоты или длины волны рассматриваемых спектральных линий в волновой теории. Если рассматривать смещение спектральной линии как результат изменения коэффициента преломления от скорости вхождения V, т.е. изменение n на n1, то Vопределяется из выражения:

V={[(n12 -1)/(n2-1)] 1/2 -1}C/n, где C скорость света, определяемая по n.

В качестве примера можно привести измерения при прохождение через призму из флюорита красного света от приближаюшегося источника. При изменении n на 0,0002 скорость источника определится по эффекту Доплера как 6760км/с, а по изменению n как 114 км/с. Для флюорита уменьшение длины волны с 670,8 нм до 656,3 нм приводит к изменению n с 1,4323 до 1,4325. [3]Возможно, вычисление скоростей по приведенной формуле избавит от необходимости поиска «тёмной материи», влияющей на скорости относительного движения в скоплениях космических тел. Необходимость в гипотезе «тёмной материи» возникает при объяснении разницы в определении масс во Вселенной, рассчитанными разными способами. Расчёт на основе скоростей, определяемых традиционным (по изменению длины волны) способом, требует наличие массы на порядок больше при сравнении с другими способами.

  1. Соответствие теории истечения опытам с подвижными средами

В соответствии с указанными вышевыводами находят объяснение результаты опытов с подвижными средами, например, при прохождении света через движущиеся тонкие стеклянные пластины (опыты Кантора, Бабкока и Бергмана). Движение тонких пластин не приводит к заметному изменению интерференционной картины. Неизменностью длин путей сравниваемых лучей объясняются и результаты опытов с подвижными зеркалами (опыты Бекмана и Мендикса, Оливера Лоджа).Неизменное положение зеркала при регистрации интерферирующих лучей, независимо от его скорости, оставляет неизменными длины путей сравниваемых лучей, изменение интерференционной картины не происходит. Кинематикой отражения частиц света и зависимостью скорости света от скорости источника в момент излучения объясняется эффект Саньяка в опыте с движущимися зеркалами, которые можно рассматривать как движение оптической среды. Эти опыты не объясняются молекулярной теорией преломления и отражения света, а также распространением света в среде как результате интерференции между падающим лучом и рассеянным. Результаты опытов объясняются эмиссионной теорией Вальтера Ритца, в основе которой лежит зависимость скорости света от движения источника света. Зависимость скорости света от движения источника подтверждается также радиолокацией Венеры. Резюме этих опытов: «Опубликованные данные межпланетных радарных измерений представляют свидетельства того, что относительная скорость света в космосе равна С+V , а не С».[4]

8. Опытная проверка гипотез группирования и замедления света

Утверждение о неизменности скорости света при прохождении среды или отражении не являются строгим. В реальных процессах отражённая энергия меньше падающей. Уменьшение энергии частиц света после многократных отражений должна привести к уменьшению их скоростии соответствующему изменению положения спектральных линий, что может восприниматься как «красное смещение». Эта гипотеза была проверена в опыте с прохождением части монохроматического (по волновой теории) света или потока световых частиц (по эмиссионной теории) протяжённого участка среды с большим коэффициентом преломления. Если существует эффект замедления, то сложение потоков света, прошедшего этот участок, с потоком, прошедшим в воздухе, должно изменить привычную интерференционную картину. Эти изменения должны происходить в пространстве в процессе распространения света.

Опыт реализован по схеме, приведенной на Fig2.

Fig2

1-He-Ne лазер; 2-короб с водой, 20х40х2000 мм; 3-металлические зеркала; 4-щель 2х0,15 мм, разделённой в середине (1 мм) перемычкой 0,15 мм; 5-экран

Часть светового потока (а) с He-Ne лазера проходит через короб с водой  путь примерно шесть метров. Другая часть (b) проходит в воздухе примерно два метра. С помощью металлических зеркал лучи направляются через вертикальную (по рисунку) щель, каждая часть через свою половину. Полученная картина рассматривалась на экране (матовое стекло) и с неё фотографировалась на расстояниях от щели 2,3; 4; 5; 6,2; метров. Фотографии представлены на Fig3 а), б), в), г). На Fig3 д), е) представлены фотографии при перекрытии потока (а), расстояния 4 и 10 метров. При прохождении через щель пучка света, прошедшего только через воду наблюдалась традиционная интерференционная картина. Характер картин от пучков света, прошедших через воздух и воду, представленных на Fig3а), б), в), г), значительно отличается от традиционной. Замедление (искомое) пучка света, прошедшего через воду, приводит к эффекту группирования частиц света по мере их распространения в пространстве, при удалении от щели.

а)

г)

б)

д)

в)

е)

Fig 3

На Fig3 д), е) картина от лучей в воздухе при отражения от зеркал 3-1; 3-2; 3-3; 3-4 близка к традиционной, но на полученной на расстоянии 4 метра уже заметны группирования в виде вертикальных полос от сложения световых потоков от грани зеркала 3-1 и его верхней границы и грани зеркала 3-4 и его нижней границы (на Fig 2 показаны как отражение от середины), развивающиеся по мере распространения и зафиксированные на расстоянии 10 метров.

Выводы из описанного опыта: 1) причиной наблюдаемого распределения светового потока является эффект группирования частиц света; 2) скорость света уменьшается при прохождении оптической среды.

  1. О скорости света

Зависимость коэффициента преломления среды от скорости входящего в среду света вызывает вопрос о равенстве скоростей лучей с разными спектральными линиями. Рассмотрим на примере эффекта Зеемана, в частности, эффекта Пашенаи Бака. Тело излучает дуплет с близко расположенными спектральными линиями. При расположении этого тела в магнитном поле по мере усиления последнего от каждой линии начинают отходить в обе стороны другие спектральные линии. При достаточно большой напряжённости магнитного поля спектральные линии, расположенные между основными линиями сливаются, образуя триплет. Это можно объяснить при гипотезе, если каждой спектральной линии соответствует своя скорость распространения. Чем правее (в общепринятом расположении спектральных линий) находится линия, тем скорость её выше. При схождении движущихся навстречу линий, т.е. при равенстве их скоростей, происходит их группирование. В пользу гипотезы различной скорости частиц света при излучении можно привести наблюдение за интерференционной картиной при прогреве использованного в опыте лазера. Наблюдаемое на экране движение полос (расстояние от щели до экрана 2,4м) можно объяснить изменением скорости света на выходе из лазера, приводящее к изменению n среды (воды), в свою очередь приводящее к изменению скорости потока света, прошедшего через воду относительно потока света, прошедшего через воздух. Гипотеза о различных скоростях света может быть проверена при сравнении скорости распространения лучей лазеров с разными частотами. Отсутствие волновых свойств у света лишает основания для утверждения равенства скорости света и электромагнитных колебаний. Информацию о различной скорости распространения света и электромагнитных колебаний может дать сравнение времён их прохождения при локации Луны радиосигналом и лучом лазера. В пользу гипотезы разных скоростей распространения света можно привести наблюдения за рентгеновским источником А 0620-00. «Если бы их рентгеновское излучение было следствием каких-то взрывных процессов, то в спектрах должны были бы появиться линии излучения. У источника А 0620-00 такие линии появились, но лишь спустя два месяца, и линии эти были очень слабыми.» [5]

  1. Возврат в классическую физику

Устранение последствий логической ошибки в объяснении опытов Майкельсона-Морли, опытные подтверждения зависимости скорости света от скорости источника позволяют снять ограничения в скорости относительного движения, а совместно с исключением волновых свойств у света позволят более адекватно описывать окружающий мир, определить тупиковые направления в развитии физики. Как могут измениться наши некоторые представления об окружающем мире при отсутствии волновых свойств у света? Свет-частицы. Их возникновение связано с изменением состояния электронов. Естественно предположить, что частицы света являются излученной частью электронов, а неизлученные есть суть электрона и его поля. Свойства частиц света к группированию и изменению направления световых потоков показывает на свойства притяжения и отталкивания между частицами света, возможность образования единой структуры электрона и его поля. Знание скорости распространения света для различных линий спектра, учёт зависимости скорости электромагнитных колебаний от скорости источника, зависимость n от скорости вхождения света позволит точнее определять скорости аппаратов и космических тел. Экспериментальная проверка причины космологического «красного» смещения как уменьшение скорости частиц при прохождении оптической среды (межзвёздный газ как оптическая среда) лишает основание для гипотезы расширения Вселенной и основанной на этой гипотезе теории «большого взрыва». Пространство и время не материальны, это всего лишь меры соответствия длин (расстояний) для пространства и сравниваемых процессов для времени. Всё это позволяет вернуться в классическую физику, основанную на результате работы многих исследователей, внесших свой вклад в развитие физики, среди них и Вальтера Ритца, светлой памяти которого посвящается эта работа.

Литература

1 Г.С. Ландсберг «Оптика» М. Наука 1976 с. 450

2 Вольфганг Паули «Постулат постоянства скорости света. Теория Ритца и родственные теории» §3

3. «Таблицы физических величин». с. 634. КикоинИ. К. М. Атомиздат

4 Брайан Г. Уоллес. «Радарные измерения относительной скорости света в космосе» ritz-btr.narod.ru/radar.html

5 В.Н. Комаров «Вселенная видимая и невидимая» М. Знание 1979 с. 77



Добавлено: 2010-02-10
Посещений текста: 4309

[ Назад ]





© Павел Гуданец 2004-2017 гг.
 инСайт

При информационной поддержке:
Институт Транспорта и Связи