Механизм распространения и скорость световых волн

После того как Френкель и Aparo своими опытами доказали, что световые волны являются поперечными волнами, начались исследования в теории упругости (Навье, Коши, Пуассон и др.), ибо эфир должен был обладать свойствами упругого твердого тела.

Трудность представления волн в эфире заключается в том, что масса, эфитонов и расстояние между ними очень малы, т.е. здесь действуют силы между бесконечно близкими частицами, а законы движения частиц описываются системой дифференциальных уравнений. Подобная модель взаимодействия называется близкодействием. Дж. Максвелл был сторонником гипотезы бдизкодействия. Он писал: «Согласно волновой теории имеется’материальная среда, заполняющая пространство между телами, и энергия передается путем действия прилегающих частиц этой среды, так что энергия перемещается от одной части к следующей до тех пор, пока не достигнет освещаемого тела» [7, с. 551].

На рисунке 4.2.1 приведен схематичный фрагмент эфирного поля. Эфитоны этого поля обладают инерциальной массой, а расстояние между ними поддерживается электромагнитными силами, которые препятствуют как его увеличению, так и уменьшению (по принципу спиральной пружины). Силы подобного рода действий представляют собой одно из самых существенных явлений упругости. Теперь представим, что на эфитон, расположенный в центре фрагмента, подействовал импульс силы в направлении, указанном стрелкой. Под воздействием этой силы эфитон будет смещаться по направлению стрелки. Это возмущение

окажет соответствующее воздействие на шесть соседних с ним эфитонов (4 в горизонтальной и 2 в вертикальной плоскостях).

На рисунке 4.2.2 схематично показано смещение эфитонов в горизонтальной плоскости. Из него видно, что смещение эфитонов в продольном направлении (в направлении действия силы) всегда должно быть больше, чем в поперечном направлении, так как смещение боковых эфитонов разлагается на продольную и боковые составляющие. В свою очередь, боковые эфитоны вызывают продольное и поперечное смещение соседних с ними эфитонов. А отсюда следует важный

вывод: продольные эфирные волны всегда должны обладать более высокой энергетикой (амплитудой волны), чем поперечные волны, при одной и той же частоте колебаний.

Данный механизм образования и распространения эфирных волн, в частности световых волн, полностью соответствует принципу Гюйгенса: «Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является в свою очередь центром вторичных волн; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту фронта действительно распространяющейся волны».

Каков закон и какие факторы определяют скорость распространения эфирных волн? Сначала рассмотрим распространение продольных волн в упругой среде — эфире.

Пусть перпендикулярно некоторой плоскости А на участке площадью S в течение короткого промежутка времени действует сила F. Это приведет к тому, что эфитоны, лежащие в плоскости А, сместятся на расстояние Ar, а затем возникшая деформация будет перемещаться в эфирном пространстве. Иными словами, в направлении действия силы F будет распространяться волновой импульс сжатия.

За время AtnpH скорости распространения волны 9 сжатие распространится на расстояние г = S • At, а каждый эфитон будет перемещаться со скоростью u = Ar/At.

Согласно второму закону динамики импульс силы F • At будет равен количеству движения эфитонов. Обозначим через р плотность эфирного поля. Тогда инерциальная масса, пришедших в движение эфитонов, будет равна произведению плотности р и объема, равного V = S • г, а изменение количества движения эфитонов определится как произведение инерциальной массы на скорость эфитонов F • At = р • S • г • и. Разделив обе части этого равенства на S • At, получим: F/S = р ¦ г • u/At. Путем

умножения числителя и знаменателя последнего соотношения на г, преобразуем его к виду: F/S = p(r/At)2 ¦ (Дг/г).

Отношение силы F к площади S, на которую она действует, называется напряжением. По закону Гука напряжение прямо пропорционально относительному удлинению Дг/r, т.е. F/S = E ¦ Дг/г. Известно, что коэффициент пропорциональности Е, равный напряжению, называется модулем Юнга. Заменим отношение (F/S)/(Ar/r) модулем Юнга Е. Учитывая, что отношение г/At есть скорость волны 9, получим: Е/р = (г/At)2 = 92.

Отсюда скорость распространения продольной волны в эфире (скорость света) будет равна:

(4.2.1)

Теперь рассмотрим физику распространения поперечных волн, используя прием М. Борна [6].              1

Представим себе цепочку частиц (эфитонов) в форме натянутой струны. Частицы обладают инерциальной массой, а между соседними в цепочке частицами действуют силы, которые противодействуют как увеличению, так и уменьшению расстояния между ними (подобно спиральным пружинкам). Такая цепочка будет удовлетворять всем требованиям упругого одномерного тела. Далее, если первая частица под действием возмущающей силы сместится в продольном или поперечном направлении, то она немедленно воздействует на вторую частицу, вторая на третью и т.д.

Таким образом, возмущение равновесия первой частицы передается вдоль всей цепочки подобно одиночной волны. Волна по цепочке проходит за некоторый промежуток времени, ибо каждая из частиц, благодаря своей инерции, реагирует на возмущения с запаздыванием.

alt="" />времени. И лишь когда это смещение достигнет определенной величины, сила начинает действовать на следующую частицу.

В теории упругости предполагается (рис. 4.2.3), что частица M притягивается соседней с ней частицей L с силой, пропорциональной величине поперечного смещения частицы M относительно

L. Обозначим через и превышение поперечного смещения точки M над смещением точки L, а через а — начальное расстояние между частицами. Тогда возвращающая сила будет пропорциональна отношению и/а = d, которое называется деформацией.. Положим k = G(u/a) = Gd, где G — постоянная, равная силе, вызывающий деформацию d = I, или G -— модуль сдвига (модуль упругости для поперечных волн). Одновременно частица M испытывает действие силы равной к* = G(u/a) = G • d* со стороны частицы N, но противоположное по направлению, а результирующая сила будет равна к - к* = G(d - d*).

Пусть инерциальная масса каждой частицы равна т. Тогда плотность массы будет равна р = m/а, а.ускорение частицы M определится следующим выражением:

Данное выражение аналогично тем, которые определяют скорость и ускорение. Действительно, как скорость определяется отношением длины пути и к времени v = и/At, где время At было чрезвычайно мало, так и здесь деформация d = и/а представляет собой отношение относительного смещения к начальному расстоянию, которое считается предельно малым. Ускорение определяется отношением изменения скорости к времени b = (v -v*)/At, точно также отношение f = (d - d*)/a аналогичным образом определяет меру изменения деформации от точки к точке.

Таким образом, уравнения поперечных эфирных волн имеют вид дифференциального уравнения второго порядка

(4.2.2)

Рассматривая протяженные цепочки эфитонов во всех направлениях, получим уравнения колебаний для двух пространственных измерений.

В формулу (4.2.2.) входят две величины, определяющие свойства эфирного пространства для поперечных волн, инерциальная масса единицы объема (плотность р) и модуль сдвига G. Запишем формулу (4.2.2) в виде b = f(G/p). Отсюда видно, что для каждой деформации (заданной f) ускорение определяется отношением G/p. При возрастании модуля сдвига G и уменьшении плотности р ускорение увеличивается, т.е. G является мерой упругости эфира для поперечных волн, ар — ме-

рой инерциального сопротивления. Увеличение упругости ведет к возрастанию скорости волн, а увеличение инерциального сопротивления — к их замедлению.

Таким образом, скорость волны в эфире зависит только от соотношения G/p. При этом каждый отдельный эфитон выполняет простое периодическое колебание (упругое колебание), а его ускорение связано с отношением х формулой b = (2;rv)2x или

(4.2.3)

где: V — частоа колебаний;

T — период колебаний.

Рассуждая аналогичным образом, можно перейти от времени к пространству. Для этого необходимо заменить в формуле (4.2.3) ускорение b (дифференциальные коэффициенты второго порядка относительно времени) на величину /(дифференциальные коэффициенты второго порядка относительно пространства), а период колебаний T (временной аериод) на длину волны Я (пространственный период). В результате этих замен придем к фармуле

(4.2.4)

Разделив (4.2.3) на (4.2.4), получим Отсюда следует, что скорость поперечной волны и равна

(4-2-5)

Полученное соотношение выполняется только для твердых тел или сред, обладающих свойствами твердого тела (эфир).

стрее поперечной. Ho в эфире скорости распространения продольных и поперечных волн должна быть одинаковы, т.е. для эфирной среды модуль Юнга должен быть равен модулю сдвига E = G. В противном случае это было бы зафиксировано в процессе астрономических наблюдений, да и строение и функционирование органов зрения говорит о равенстве скоростей продольной и поперечной световых волн.

Модуль сдвига G связан с модулем Юнга E и коэффициентом Пуассона ц соотношением G = (Е/2ХI + ц)- А так как коффициент Пуассона (х = (Ad/d)/(Ar/r), то относительное продольное сжатие (растяжение) эфирной решетки сопровождается относительным ее поперечным расширением (сужением). При Ътом Ad/d = Дг/г, т.е. ц = I.

В рассмотренной моделе строения эфира его поле (пространство) обладает такими свойствами упругого тела, которые обеспечивают распространение продольных и поперечных эфирных волн в любом направлении и с одинаковой скоростью. При этом в эфире могут распространяться одна продольная и поперечные волны (в напралении рас- пространеия продольной волны и в боковом направлении).

Скорость распространения эфирных волн зависит от среды распространения. Дж.Максвелл разработал теоретические основы по определению скорости распространения эфирных волн в средах. В своих трудах по теории электромагнитного поля он писал: «Согласно волновой теории скорость света в различных средах обратно пропорциональна их показателям преломления» [7, с.557].

По Максвеллу

(4.2.6)

где: с — скорость света в вакууме,

S — скорость света в среде, обладающей диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью ц; п — показатель преломления среды.

Из приведенной формулы видно, что скорость распространения света в прозрачной среде всегда меньше скорости света в вакууме. Сам процесс переноса света в веществе современная теория по существу сводит к переизлучению фотонов электронами атомов и молекул прозрачной среды, к движению зарядов и поля в веществе. Однако, как показали опыты С.И. Вавилова, молекулы среды поглощают кванты света целиком и не обеспечивают их немедленного переизлучения по вектору движения фотонов. Поэтому сам процесс переноса света в среде должен носить вероятностный характер, что противоречит наблюдениям.

Таким образом, принятая в науке гипотеза переноса света в веществе ставит больше вопросов, чем дает ответов, ибо переизлучение — это процесс, на реализацию которого требуется определенное время. Ясно одно, что в любой среде скорость света должна уменьшаться относительно его скорости в вакууме.

Начиная с второй половины XIX века, опыты по измерению скорости света в средах проводили Физо, Корню, Майкельсон, Ньюкомб, Перротен, Миттельштдт, а в последние десятилетия — Эссен, Бол, Бергстранд, Величко, Васильев, Лозанов и другие [15]. Результаты этих опытов показывают, что скорость света в среде замедляется, а при выходе из нее сразу возрастает до скорости ее входа в данную среду.

Итак, скорость света в воздухе равна примерно 300 тысяч килло- метров в секунду, а в стекле — 200. Свет, входя в стекло, сразу уменьшает скорость распространения на 100 тысяч км/сек, а выходя из него в воздух, он сразу же приобретает скорость 300 тысяч км/сек. Так как скорость света мгновенно изменяется на границе сред, то, естественно, «ответственность» за ее замедление несет конкретная среда, т.е. скорость света определяется физическими характеристиками среды его распространения.

Каждый атом и молекула обладают своим, характерным для данного вещества, эфирным полем, совокупность которых образует эфирное поле даннго вещества. Плотность эфирного поля в веществе, например, в стекле, выше, чем в воздухе, т.е. расстояние между эфитонами в стекле сокращается, а, следовательно, на единице длины пути эфитонов в нем будет значительно больше, чем в воздухе. Световая же волна передается от эфитона к эфитону за время 5t, и, следовательно, количество подобных передач на единице длины в стекле соответственно будет больше, чём в воздухе. Несмотря на то, что плотность и модуль упругости эфирного поля в стекле должны быть выше, и по этой причине Stci lt; Stii03, но из-за значительного увеличения числа передач на единицу длины пути суммарное время прохождения световой волны в стекле будет больше, чем в воздухе, т.е. всегда будет выполняться неравенство EStcr gt; ESt . После выхода световой волны из стекла линейная скорость ее распространения снова становится равной 300 тысяч км/сек.

Таким образом, в любой прозрачной среде свет распространяется медленнее, чем в вакууме, а его скорость зависит от показателя преломления среды п. Показатель преломления воздуха — 1,0003, воды — 1,33, стекла различных сортов — от 1,5 до 1,8. Алмаз имеет одно из самых больших значений показателя преломления — 2,42. Отсюда следует, что скорость света в обычных прозрачных средах уменьшается не более, чем в 2,5 раза, и она определяется характеристиками конкретной среды (ее показателем преломления п). Это в обычных средах и при обычных условиях, а в некоторых, искусственно созданных средах ученым удалось замедлить скорость света во много раз больше.

В 1999 году группе физиков из Роуландовского института и Гарвардского университета (США) в специально созданной и охлажденной до T = 0,000000435К (почти до абсолютного нуля) натриевой среде удалось замедлить скорость лазерного импульса в 20 миллионов раз, т.е. до скорости 17 м/с (60 км/час). При этом и длина импульса уменьшилась в несколько раз (ж. «Наука и жизнь», №2,2000). Конечно, в данном случае говорить об увеличении в этой среде плотности эфирной решетки в миллионы раз, которой бы вызвало такое замедление скорости лазерного импульса, не приходится. На наш взгляд ценность результатов этого эксперимента состоит не в Самом факте такого большого замедления скорости лазерного импульса, а в познании физики эфира, в частности, его свойств при температуре, близкой к абсолютному нулю. Подобная температура должна вызывать снижение частоты и амплитуды колебаний собственного эфирного поля из-за уменьшения силы электромагнитного взаимодействия между эфитонами. Поэтому замедление скорости лазерного импульса и уменьшение его длины, скорее всего, было вызвано резким снижением упругости эфирного поля (коэффициентов E и G) при температуре, близкой к абсолютному нулю. Действительно, в данном случае лазерный импульс, входя в среду, своим передним фронтом как бы натыкается на препятствие, а его задний фронт имеет еще начальную скорость, что, естественно, должно вести к уменьшению длины импульса.