Экспериментальные исследования закономерностей явления излучения и распространения света в пространстве с использованием роторной установки

Известно, что в физике имеют место следующие теории распространения света в Пространстве: корпускулярная (баллистическая теория И. Ньютона), эфирная волновая и специальная теория относительности (СТО) А. Эйнштейна.

Корпускулярная (баллистическая) теория удовлетворяет известному принципу относительности Галилея и приводит к выводу о векторном сложении скорости распространения света и скорости движения источника света.

Эфирная волновая теория утверждает, что скорость распространения света постоянна относительно эфира.

Теория А. Эйнштейна утверждает, что скорость распространения света постоянна относительно наблюдателя.

К концу 19 века результаты многих фундаментальных оптических и электромагнитных явлений, эффектов и опытов однозначно подтвердили принципиальную несостоятельность классической эфирной волновой теории света. Так в рамках этой теории эффект звёздной аберрации, опыт Физо и опыт Майкельсона - Морли объясняются исходя из трёх возможных, но совершенно несовместимых друг с другом гипотез в части свойств и поведения эфира (эфир неувлекаемый, частично увлекаемый и полностью увлекаемый). Однако, несмотря на указанное, классическая эфирная волновая теория света, при определённых допущениях позволяет решать многие задачи современной науки и техники.

Как известно, к концу 19 века в физике окончательно утвердились механический принцип относительности Галилея и связанное с ним понятие механических инерциальных систем отсчёта. Одновременно, накопившиеся опытные данные подтверждали справедливость принципа относительности не только для механических, но и для всех других физических явлений. С другой стороны, казалось, что многие опытные данные подтверждали независимость скорости распространения света в пространстве от скорости движения его источника, что в рамках эфирной волновой теории света прямо противоречило принципу относительности. Известно, что данное непримиримое противоречие между указанными принципами явилось одной из главных составляющих «кризиса» классической физики, имевшего место в конце 19 начале 20-х веков.

Считают, что А. Эйнштейн наиболее кардинально разрубил возникший в классической физике узел противоречий. Он вслед за Э. Махом заявил, что в Мировом Пространстве нет никакого эфира. Это однозначно решает вопрос об отсутствии единственной привилегированной системы отсчёта и приводит к представлению о бесчисленном множестве абсолютно замкнутых инерциальных систем отсчёта, полностью подчиняющихся принципу относительности. В силу физической равноправности таких систем естественно предположение А. Эйнштейна о том, что скорость света должна быть постоянной относительно любой из таких систем. В связи с изложенным А. Эйнштейн не стал опровергать ни принцип относительности, ни принцип независимости скорости распространения света от скорости движения его источника. Полагая, что указанные принципы достаточно хорошо подтверждены опытом, он положил и тот и другой принцип в основу своей, так называемой Специальной Теории Относительности.

В настоящее время осуществляются разработки волновой теории взаимодействий, в том числе и теории света, но не на базе представлений об Эфире, а на базе современных представлений о различных физических полях, излучаемых материальными объектами.

Что можно сказать в свете изложенного о корпускулярной (баллистической) теории света? Эта теория в настоящее время практически находится в полном забвении. Однако ранее, неоднократно высказывались мнения о том, что объяснения многих оптических явлений могут быть осуществлены, если исходить из корпускулярных представлений о взаимодействиях.

Изложенное однозначно диктует необходимость проведения дальнейших как теоретических, так и в особенности экспериментальных исследований в направлении установления истинных закономерностей как в части взаимодействий на расстоянии, так и в части разработки физической теории света, которые наиболее полно, без каких-либо ограничений могли бы отразить кинематику реального мира.

Целью экспериментальных исследований, проведённых М.И. Дуплищевым, являлось уточнение основных закономерностей излучения и распространения света в Пространстве.

К числу осуществлённых к настоящему времени и наиболее достоверных способов и опытов, подтверждающих правомерность корпускулярной теории света Ньютона необходимо отнести:

1) определение относительной скорости распространения света в мировом Пространстве с помощью радара;

2) опыт американского физика У. Кантора с использованием явления интерференции.

Определение относительной скорости распространения света в мировом Пространстве было осуществлено в США путём радиолокации Венеры. Результаты обработки радиолокационных измерений расстояний между планетами Земля-Венера были опубликованы в журнале [1] в статье Б.Г. Уэйллеса в 1969 году. Как следует из статьи, результаты радиолокации Венеры достоверно подтверждают, что скорость света складывается со скоростью источника по закону сложения скоростей Галилея - Ньютона, а не постоянна относительно наблюдателя, как это следовало бы из специальной теории относительности А. Эйнштейна.

Опыт американского физика У. Кантора также наиболее достоверно подтверждает правомерность корпускулярной теории света. Опыт был проведён в 1961 году в лаборатории электроники морского флота США (Западный Калифорнийский университет, Сан-Диего 6, Калифорния). В указанной лаборатории У. Кантор осуществил прямой эксперимент первого порядка [2]. В опыте У. Кантора сравнивалось время прохождения одного и того же пути двумя световыми лучами: одного - от неподвижного источника света, а второго - от движущегося. В результате возникающего при этом сдвига фаз световых лучей в продольном направлении наблюдалось изменение интерференционной картины, полученной от движущегося источника светового луча. В качестве движущегося источника светового луча использовались очень тонкие стеклянные окошки, установленные на диске, который вращался с большой скоростью (3000 об/мин.). В качестве первичного источника света использовалась ксеноновая лампа, которая включалась в тот момент, когда стеклянные окошки оказывались перпендикулярными к проходящим через них лучам. Окошки были такого размера, что не весь пучок света проходил через них. Часть пучка проходила над стеклянными окошками (верхний луч от неподвижного источника света), а часть пучка (нижний луч) проходила через движущиеся стеклянные окошки, которые являлись подвижным источником света. Когда диск не вращался, верхний и нижний лучи, отражаясь от 4-х зеркал, проходили через полупрозрачное зеркало и попадали в оптическую трубу одновременно, при этом интерференционные полосы, полученные от верхнего и от нижнего светового луча были одинаковыми. При вращении диска происходило изменение интерференционной картины, полученной от нижнего луча, проходящего через движущиеся стеклянные окошки.

Экспериментальные исследования, предложенные автором данной статьи, заключались в том, что если верна корпускулярная теория света, то при вращении рабочего диска из оргстекла с угловой скоростью щ пятно от нижнего светового потока, проходящего через вращающийся рабочий диск на полупрозрачном матовом экране сместится вправо или влево (в зависимости от направления вращения рабочего диска, - по или против часовой стрелки) по отношению к опорному световому пятну от неподвижного источника света. При этом также произойдёт сдвиг фаз световых потоков, пропорциональный величине в = V/с и соответствующий сдвиг интерференционной картины, наблюдаемой на матовом экране. В данном опыте

V=2рn/60 = щR,

где: щ - скорость вращения рабочего диска, об/мин.;

R - радиус рабочего (вращающегося) диска.

Согласие на проведение такого эксперимента было в марте 1974 года от Научно-организационного отдела Президиума Академии Наук Украинской ССР.

Для проведения исследований основных закономерностей излучения и распространения света в Пространстве производственным объединением «Южмаш» были выполнены работы по созданию двух экспериментальных установок роторной и линейной, разработанных автором данной статьи. Работы по созданию экспериментальных установок были проведены в течение 7 с половиной лет.

В августе - декабре 1981 года автором данной статьи были проведены экспериментальные исследования на этих установках.

Принципиальная схема экспериментальной роторной установки приведена на рис. 1. Экспериментальная роторная установка была размещена в специальном бункере. При этом были приняты тщательные меры по вибротермо-звукоизоляции всего пути световых потоков от источника монохроматического излучения до матового экрана. Элементы экспериментальной роторной установки приведены на рис. 6.

Основные параметры элементов роторной установки были следующие:

рабочий диск из авиационного полированного оргстекла 2-55, МРТУ6-01-47-65;

Е = 3300 кгс/см2 - модуль упругости оргстекла;

nпр.= 1,59 - относительный коэффициент преломления оргстекла;

R = 0,33 м - радиус рабочей поверхности диска из оргстекла;

д = 13,8 мм - толщина рабочей зоны диска из оргстекла;

л = 0,63 мкм - длина волны света, излучаемого лазером ЛГ-38а;

с = 300000 км/с - скорость света относительно лазера;

Основной задачей экспериментальных исследований с использованием роторной установки являлось наблюдение и кинофоторегистрация состояний интерференционной картины на матовом экране 10 при вращении рабочего диска 4 с различной угловой скоростью щ.

Интерференционное устройство для контроля за интерференционной картиной на матовом экране 10 было выполнено по схеме интерферометра Рождественского, соответственно с плечами ~ 30 мм между зеркалами 2,3 и 7,8 и ~ 30 000 мм (30м) между блоками зеркал.

Были проведены пуски роторной установки с включением монохроматического источника 1. При этом единый исходный луч от монохроматического источника 1, попадая на полупрозрачное зеркало 2 разделялся на 2 луча: нижний луч, проходил через полупрозрачное зеркало 2, а верхний луч, отражался от зеркала 2 и попадал на отражающее зеркало 3. Таким образом были получены два параллельных луча, которые через мягкие лучепроводы 11, 12, 13 и лучепровод 14 в виде стальной термоизолированной трубы попадали на отражающее зеркало 8 (нижний луч лн) и на полупрозрачное зеркало 7 (верхний луч лв). На пути нижнего луча стояла роторная установка 4 с вращающимся рабочим диском и оптическая плоскопараллельная стеклянная пластинка 17. Нижний луч отражался от отражающего зеркала 8 и попадал на поверхность полупрозрачного зеркала 7. Верхний луч, проходил через полупрозрачное зеркало 7 и складывался с нижним лучом, образуя интерференционную картину, которая через линзу 9 проектировалась на матовый экран 10. В процессе эксперимента уменьшали число оборотов ротора с 2100 до 600 об/мин. и наблюдали чёткие систематические смещения интерференционных полос относительно неподвижного перекрестия на матовом экране 10. Проводилось также исследование интерференционной картины, полученной при вращении ротора с рабочим диском по часовой стрелке и против часовой стрелки; при этом наблюдалось отличие смещений интерференционных полос при вращении ротора по часовой стрелке от смещений интерференционных полос при вращении ротора против часовой стрелки. Естественно предположить, что такое явление вызывается рядом факторов, оказывающих различное влияние при смене направления вращения рабочего диска на направление нижнего светового потока, проходящего через вращающийся диск из оргстекла. Очевидно, что к числу основных факторов, вызывающих как систематические смещения интерференционных полос, так и их различную величину при вращении рабочего диска по и против часовой стрелки, необходимо в общем случае отнести:

увлечение нижнего луча лн (светового потока) веществом вращающегося рабочего диска;

поперечный эффект Допплера;

изменение профиля рабочей зоны диска из оргстекла под действием центробежных сил, так называемый радиальный эффект;

сложение скорости излучения света исходной поверхностью вращающегося диска и скорости переносного движения указанной поверхности как излучателя в случае корпускулярной природы света;

другие возможные факторы;

совокупность влияний перечисленных фактов.

В опыте, описанном в работе [3], обращается внимание на то, что если световой поток (в нашем случае нижний луч лн) проходит через вращающийся стеклянный диск параллельно оси вращения диска, то он, проходя через диск, появляется из диска параллельно его первоначальному направлению, но смещённым в Пространстве в связи с увлечением света веществом диска на величину LY, определяемую зависимостью:

LУ = [V·(n2пр -1)·д]/cnпр = в(n2пр -1)д/nпр

где: V - изменение тангенциальной скорости области вещества диска, через которую проходит нижний световой поток (нижний луч лн);

в = V/с;

nпр - коэффициент преломления света веществом вращающегося диска;

c - скорость излучения света относительно выходной поверхности диска; скорость свет интерференционный матовый

д - толщина диска.

Расчёт по зависимости (1) показал, что боковое смещение светового пятна от потока лн на полупрозрачном зеркале 7 (рис. 1), в роторной установке составил величину не более 0,0023 микрона, т.е. на несколько порядков меньше наблюдаемого при эксперименте смещения интерференционных полос.

Возможное смещение интерференционных полос из-за поперечного эффекта Допплера в экспериментальной роторной установке равно нулю, ибо вращающийся диск, являющийся одновременно приёмником и излучателем нижнего светового потока лн, служит простым ретранслятором проходящего через него указанного светового потока.

Обнаруженный в опыте [3] радиальный эффект вызывает при вращении диска из оргстекла отклонение светового пятна, образуемого световым потоком лн на зеркале 8 (рис. 1) в радиальном направлении от его первоначального положения на величину, определяемую зависимостью:

LP = А·L·щ2

где, А = f(nпр; R1; R2; г; м; E; g) - постоянный коэффициент;

nпр - коэффициент преломления света веществом вращающегося диска;

R1 и R2 - внешний и внутренний радиусы рабочего диска из оргстекла;

г ; м; E - удельный вес, коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала рабочего диска;

g - ускорение силы тяжести;

L - расстояние от выходной поверхности рабочего диска до светового пятна от светового потока лн на отражающем зеркале 8 (рис. 1).

Расчёты по зависимости (2) показывают, что радиальный эффект приводит к существенному смещению светового пятна от светового потока лн на зеркале 8, не зависящем от направления вращения рабочего диска.

Наконец возможное боковое смещение светового пятна от светового потока лн на зеркале 8 в случае корпускулярной природы света будет определяться зависимостью (рис. 2):

LT = O2O2' = (V·L)/c = в?L

или с учётом длины волны лазерного излучения л и шага полос интерференционной картины lинт. на экране обработки киноплёнок

LT = (V·L/c)?(lинт/л) = в?L?(lинт/л)

При этом, знак данного смещения уже будет зависеть от направления вращения рабочего диска.

Из изложенного следует, что основным фактором, определяющим как систематическое смещение интерференционных полос, так и их различную величину при вращении диска по и против часовой стрелки может быть совокупность воздействий на смещение интерференционных полос радиального эффекта и эффекта сложения скорости излучения нижнего светового потока лн выходной поверхностью вращающегося диска и скорости переносного движения точек указанной поверхности на радиусе излучения светового потока лн.

Как уже отмечалось выше, в опыте Р.В. Джонса экспериментально установлен факт, заключающийся в том, что световой поток, выходящий из вращающегося стеклянного диска сохраняет свое первоначальное направление, т.е. переносное движение не меняет нормали к фронту излучения. Это однозначно подтверждает универсальность принципа относительности Галилея, который распространяется, как видим, и на световые явления. Это позволило экспериментально подтвердить, что действительно смещение интерференционных полос на матовом экране является результатом совокупного воздействия радиального эффекта и эффекта сложения вышеуказанных скоростей. Установив за вращающимся рабочим диском на небольшом расстоянии от его выходной поверхности АВ (рис. 3) неподвижную оптическую плоскопараллельную пластину (поз. 17 на рис. 1) и вращая рабочий диск по и против часовой стрелки, мы получили практически одинаковые смещения интерференционных полос независимо от направления вращения, определяемые лишь только радиальным эффектом. При этом смещения интерференционных полос, которые вызывались сложением скоростей (скорости излучения и переносной скорости) были устранены в соответствии с Галилеевским механическим принципом относительности. В процессе экспериментальных исследований были зафиксированы сдвиги интерференционных полос в четырёх контрольных группах кинолент (по 2500 кадров в каждой) при спаде оборотов рабочего диска в диапазоне 2100 ...600 об/мин.: 1) первая группа из 13 кинолент - при вращении диска против часовой стрелки и отсутствии на пути светового потока (нижний луч лн) за выходной поверхностью рабочего диска неподвижной плоскопараллельной пластинки (поз. 17, рис. 1); 2) вторая группа из 9 кинолент - при вращении рабочего диска против часовой стрелки и наличии за выходной поверхностью диска неподвижно плоскопараллельной пластинки (поз. 17, рис. 1); 3) третья группа из 9 кинолент - при вращении рабочего диска по часовой стрелке и наличии за диском неподвижной плоскопараллельной пластинки (поз. 17, рис. 1); 4) четвёртая группа из 8 кинолент при вращении рабочего диска и при отсутствии плоскопараллельной пластинки (поз. 17, рис. 1).

Все перечисленные контрольные пуски роторной установки осуществлялись в идентичных условиях. При этом выполнялся следующий единый порядок работ: 1) плавная раскрутка рабочего диска электродвигателем постоянного тока до ~ 2100 об/мин.; 2) выключение электродвигателя и одновременный пуск лентопротяжного механизма кинокамеры, установленной за матовым экраном (поз. 10, рис. 1). Одновременно на киноленты снимались как интерференционная картина, так и число оборотов диска, фиксируемых частотомером. Типовые интерференционные картины с зафиксированными оборотами рабочего диска приведены на рис.4. Киноленты, зафиксировавшие сдвиги интерференционных картин затем подвергались обработке с помощью кинопроектора, проектировавшего кадры кинолент на белый экран. При этом шаг интерференционных полос на экране обработки кинолент, при длине волны лазерного излучения л = 0,63 мкм, был равен lинт. ~ 26 мм. В таблице №1 зафиксированы осреднённые относительные величины смещений интерференционных полос при lинт. ~ 26 мм в зависимости от спада оборотов рабочего диска. С целью сравнительного анализа на рис.5 изображены графики относительных смещений интерференционных полос относительно неподвижного перекрестия на матовом экране (поз. 10, рис. 1), построенные по данным таблицы №1. Данные таблицы №1 и графики рис. 5 позволяют сформулировать вполне определённые выводы по результатам экспериментальных исследований явлений излучения и распространения света в Пространстве с использованием специальной роторной установки.

Таблица №1