К ВОПРОСУ О ИЗЛУЧЕНИИ И РАСПРОСТРАНЕНИИ СВЕТА
В своей статье я хотел бы рассмотреть некоторые моменты, связанные с излучением и распространением света, а также такие явления, как дисперсия и дифракция.
Для начала разговора приведу выдержку из Википедии, отражающую то, как определяется понятие света в общепринятом на сегодняшний момент смысле: свет звуковой дисперсия дифракция
Свет -- в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380--400 нм (750--790 ТГц), а в качестве длинноволновой границы -- участок 760--780 нм (385--395 ТГц).
В широком смысле, используемом вне физической оптики, светом часто называют любое оптическое излучение, то есть такое электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне с приблизительными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра. В этом случае в понятие «свет» помимо видимого излучения включаются как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучения.
Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика.
Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов -- частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя).
Одной из субъективных характеристик света, воспринимаемой человеком в виде осознанного зрительного ощущения, является его цвет, который для монохроматического излучения определяется главным образом частотой света, а для сложного излучения -- его спектральным составом.
Теперь представлю некоторые аспекты своего видения этого вопроса. В своей предыдущей статье [1] я высказал гипотезу о том, как происходит излучение «абсолютно чёрного тела». Дальнейший анализ этого вопроса привёл меня к заключению, что большая часть источников света, а также источников колебаний других видов, будь то звуковые колебания или механические колебания, излучаются таким же образом. А именно, подавляющая часть источников колебаний излучает не гармонический сигнал и не смесь гармонических сигналов, а излучает смесь коротких импульсов различных частот, соответствующего частотного диапазона. Т.е. практически любой излучаемый сигнал, это шумовой спектр либо широкого, либо более узкого диапазона.
Начну рассмотрение этого предположения с более простого и наглядного случая, это механические колебания. Любой пассажир метро сталкивался с тем, что во время движения поезда метро вагон, а вместе с ним и пассажиры совершают импульсные колебания в различные стороны. Проще говоря, людей «качает». Ещё сильней этот эффект сказывается при езде на автомобиле по плохой дороге с ухабами и ямами. Ещё один пример - вибрация корпуса работающего агрегата, допустим пылесоса. Колебания в обоих этих случаях носят негармонический, импульсный характер. Такие механические колебания сопровождают большинство механических процессов. Широкий спектр колебаний, сопровождающий механические процессы во многом связан с тем, что большая часть механических устройств состоит из большого числа деталей связанных друг с другом многочисленными связями (шестерёнки, штоки, оси, втулки и т. д.).
Хорошим примером негармонического, шумового сигнала могут служить морские волны. Каждая отдельно взятая волна на поверхности моря имеет отличную от других волн высоту и протяжённость, т. е. морские волны имеют различную амплитуду волны и различную длину волны. Такие волны имеют ярко выраженную структуру «шумового» сигнала. Есть, конечно, и гармонические механические колебания, как правило, в более простых устройствах, например, колебания качелей, колебания камертона и т. д.
Теперь рассмотрим звуковые колебания. Звук при игре музыканта на трубе на первый взгляд кажется гармоническим. Однако, если музыкант будет дуть просто в мундштук, без присоединённой трубы, будут слышны забавные звуки, более всего напоминающие спектр шумового сигнала. Только после присоединения к мундштуку трубы, звук на выходе из трубы начинает напоминать гармонический сигнал. Труба в этом случае представляет собой акустический резонатор, с одной стороны работающий, как фильтр, выделяющий из широкого шумового спектра узкий диапазон частот, а с другой стороны, работающий, как усилитель этого узкого диапазона частот. Человеческая речь, это ещё один пример преобразования звука из шумового сигнала в звук, напоминающий гармонический сигнал. Формируют этот шумовой сигнал наши «голосовые связки». Горло, полость рта, язык, зубы составляют резонансную камеру. В зависимости от артикуляции этими элементами мы можем воспроизводить звуковые колебания различных диапазонов звуковых частот.
И наконец, обратимся к излучению света. Так называемый «белый свет» есть, не что иное, как «шумовой» сигнал колебаний светового диапазона частот. Белый свет, на мой взгляд, не является смесью гармонических колебаний различных частот, которые можно наблюдать при дисперсии света на призме. Белый свет, это смесь многочисленных коротких световых импульсов. Свои соображения по вопросу дисперсии я изложу чуть позже, а пока выскажу соображения, приведшие меня выводу, что большинство источников волн излучают негармонический сигнал. Хорошим примером, подтверждающим мои умозаключения, является электросварка. При сварке наблюдается белый свет очень быстро и сильно меняющий свою яркость. И это легко объясняется самим процессом сварки, т. е. физическим процессом, во время которого между электродом и «свариваемым» предметом проскакивают электрические разряды, носящие хаотический характер и имеющие различную интенсивность тока. Наличие коротких импульсов хаотически следующих и имеющих различную интенсивность однозначно определяет излучение при сварке, как сигнал светового диапазона «шумового» типа.
Если посмотреть на включенную лампу накаливания, то на первый взгляд, не видно ни каких хаотических импульсов (вспышек) света. Излучение от лампы выглядит весьма равномерным. Такая ситуация легко объяснима большой инерционностью человеческого глаза. Уже при частоте 25 кадров в секунду наш глаз (вместе с мозгом, обрабатывающим сигнал) видит вместо череды отдельных кадров киноленты непрерывное движение на экране. У оптических приборов, вроде фото и видеокамеры инерционность может быть значительно меньше, но всё равно не достаточной для восприятия отдельных световых импульсов при наблюдении источников света. Зато наличие таких импульсов при излучении света легко прослеживается, если рассмотреть физические процессы, происходящие в теле, излучающем свет.
Что происходит в спирали лампы накаливания, при прохождении по ней электрического тока? Электрический ток есть направленное движение свободных электронов в материале проводника. Это почти дословное и общепринятое определение электрического тока. Что же ещё происходит в проводнике при этом процессе? Движущиеся электроны, в процессе своего движения, сталкиваются между собой, а также с атомами материала проводника. При этом выделяется некоторое количество энергии, которая рассеивается из проводника в виде тепла и в виде излучения тех самых коротких импульсов света. Столкновения электронов между собой и с атомами вещества носит хаотический характер, а световая энергия, выделяющаяся в процессе единичного столкновения, зависит от скорости конкретного электрона, т. е. является величиной переменной. На мой взгляд, перечисленные факты однозначно указывают на то, что излучение света происходит большим количеством хаотически следующих коротких световых импульсов с очень высокой частотой следования. Если бы была возможность значительно уменьшить инерционность глаз человека, до значений сопоставимых со временем между соударениями электронов в спирали лампы накаливания, то свет от такой лампы был бы похож для человека на «сверкание» электросварки.
В качестве наглядной аналогии описанных мной процессов приведу ещё один пример из области звуковых колебаний. Если язычок колокольчика редко ударяет по колокольчику, то при этих ударах слышны хорошо различимые, как отдельные, звуковые сигналы (звуковые импульсы). Если трясти колокольчик с большой частотой, то отдельные звуковые сигналы сливаются в одну непрерывную трель узкого звукового спектра.
Почему же в большинстве случаев мы видим излучение света, как равномерное, непрерывное, и нам кажется, что излучается гармонический сигнал. Объяснение этого даёт теорема Котельникова, более подробное объяснение самого процесса я дал в своей статье [1]. Человеческий глаз в этом процессе играет роль фильтра и интегратора отдельных световых импульсов. В результате обработки таким фильтром-интегратором «шумового» светового сигнала мозг воспринимает свет, как непрерывный, равномерный и гармонический.
Теперь мне хотелось бы проанализировать вопрос распространения света, а именно «среды» его распространения. На сегодняшний день общепринятым мнением является утверждение, что для распространения света, не нужно никакой среды. Вакуум при этом рассматривается, как абсолютная пустота, не содержащая никакого вещества.
Я в корне не согласен с таким утверждением. Мне представляется более логичным признание наличия, так называемого «эфира», заполняющего, как вакуум, так и любое другое вещество, будь то газ, жидкость или твёрдое тело. Именно этот эфир и является средой для распространения света, как воздух является одной из сред для распространения звуковых колебаний. Что же представляет собой этот «эфир»? На мой взгляд, это очень маленькие, значительно меньше размеров атома, физические частицы, имеющие очень маленькую массу и достаточно большую скорость хаотического движения. Хорошим кандидатом на роль таких частиц могут служить обычные электроны, но только электроны эти не должны иметь, никакого «заряда». О проблеме наличия у частиц «зарядов» я подробно изложил свои соображения в статье [2].
Вот первый аргумент в защиту «эфира». Ещё более 100 лет назад Л. Физо в своём опыте по измерению скорости света в воде получил результат, говорящий о том, что скорость света в воде значительно меньше, чем скорость света в воздухе. Сам факт этого, как минимум, говорит о том, что различные среды по-разному влияют на скорость распространения света. А если более глубоко взглянуть на это явление, то можно прийти к выводу, что электромагнитная (световая) волна каким-то образом взаимодействует с обычным веществом. Особенно подчеркну слово «с обычным», т. е. незаряженным, т.е. электрически нейтральным веществом. Согласно общепринятому сейчас мнению электромагнитная волна может взаимодействовать только с «заряженными» частицами, и не оказывает никакого воздействия на нейтральное вещество. Однако опыт Л. Физо, так же общепризнанный, опровергает предыдущее утверждение. Прекрасным выходом из этого положения явилось бы признание двух следующих утверждений:
1. «Заряда», как свойства отдельных частиц не существует;
2. Электромагнитные волны, в том числе и свет, распространяются в электрически нейтральной среде - «эфире».
Представлю ещё один аргумент в пользу существования эфира.
Рассмотрим действие одного и того же электромагнита с сердечником и без него. Если поднести к включенному электромагниту без сердечника металлическую пластину, то притяжение пластины к электромагниту будет не очень сильным. Ситуация меняется, если вставить в электромагнит металлический сердечник. В этой ситуации пластина будет притягиваться весьма сильно. В обоих этих случаях энергия, подводимая к электромагниту с помощью электрического тока, будет одинаковая, и это вполне очевидно. Однако силовое воздействие, оказываемое электромагнитом на металлическую пластину в двух опытах различно. Учитывая то, что сам металлический сердечник не может создавать дополнительного магнитного поля, логично предположить, что увеличение силы притяжения связано со свойствами материала сердечника, которые позволяют подводимой к электромагниту энергии преобразоваться в более полном объёме в работу по притягиванию металлической пластины. Этот эффект можно конечно объяснить с позиции классической общепризнанной физики, а именно, с помощью такого свойства среды, как магнитная проницаемость. Вот соответствующая выдержка из Википедии:
Магнитная проницаемость -- физическая величина, коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды (подразумевая её состав, состояние, температуру и т. д.).
Впервые встречается в работе Вернера Сименса «Beitrдge zur Theorie des Elektromagnetismus» («Вклад в теорию электромагнетизма») в 1881 году.
В общем, соотношение между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля через магнитную проницаемость вводится как
Из приведённой формулы видно, что если применить в электромагните сердечник из материала, имеющего более высокое значение магнитной проницаемости, то значение магнитной индукции увеличится во столько же раз при той же напряжённости поля. Всё это конечно так, но приведённая формула и определение такого свойства вещества, как магнитная проницаемость, плохо объясняют физику процесса и глубинный смысл этого физического явления.
У меня есть другое объяснение этому физическому опыту, которое опирается на факт существования эфира. Для начала приведу аналогию опыта с электромагнитом, но только для чисто механического воздействия. Проведём три опыта с мячом. Во всех опытах мы будем ронять мяч на землю с высоты один метр. При касании земли во всех трёх опытах мяч будет иметь одну и ту же кинетическую энергию. Это будет аналог напряжённости магнитного поля в опытах с электромагнитом. Мы будем наблюдать в этих опытах за высотой отскока мяча от земли. Так в первом опыте мы надуем мяч несильно, чтобы давление в мяче равнялось атмосферному давлению снаружи мяча. При этом мяч отскочит от земли невысоко или даже совсем не отскочит. Во втором опыте мы надуем мяч чуть сильнее. В результате этого мяч будет отскакивать от земли значительно выше, почти достигая высоты, с которой его уронили. Т. е. почти сто процентов кинетической энергии мяча преобразовалось в работу по его подскоку против воздействия силы гравитации. В третьем опыте мы накачаем мяч ещё сильнее, до предела прочности его оболочки. И в этом опыте мы заметим, что мяч снова стал отскакивать хуже, чем во втором опыте, но всё же, продолжает отскакивать. Мяч у нас во всех опытах один и тот же, массой закачанного в него газа можно пренебречь, возникает вопрос, почему во всех опытах получен разный результат? Кстати, высота отскока мяча, это аналог величины магнитной индукции в опыте с электромагнитом.