http://bourabai.ru:Что общего между светом солнца и светом лазера?(копипаста)

0.5K 14:59 - 14/мая/20 Россия

(9 лет 11 месяцев)

Статья физика-экспериментатора Йохана Керна о природе света.

Таким образом, спор между Гюйгенсом и Ньютоном решается вничью, но совсем не так, как об этом пишется в современных учебниках. Не оба правы, а оба неправы.

1. Противоречия, связанные с доказательством волновой природы света
(Как идут лучи света при разложении его на цветовые составляющие с помощью призмы?)

Идея о том, что свет является волной во второй половине 17-го века витала в воздухе. Кто только ни высказывал это мнение. Причиной тому был известный факт о том, что свет может огибать препятствия. Кроме того, Снеллиус (Снелл) нашёл более точный закон преломления света при переходе из одной среды в другую, чем ранее найденная зависимость, полученная ещё Клавдием Птолемеем во втором веке нашей эры. О зависимости, полученной Снелиусом, учённому миру сообщил Декарт. Возможно поэтому возник вопрос: Почему вообще свет преломляется?

Успешный и очень талантливый Кристиан Гюйгенс предложил схему, которая давала качественно тот же результат, что и известный закон преломления, но в отличие от него давалa ещё и возможное объяснение природы света. Эта схема [1] наглядно показывала, почему свет преломляется.

Рис. 1. Рефракция волн по Гюйгенсу: синие линии и синяя стрелка — фронты падающей волны и направление вектора фазовой скорости в первой среде; жёлтые точки и серые полуокружности — вторичные источники на границе раздела двух сред и фронты порождённых ими сферических волн во второй среде; зелёные линии и зелёная стрелка — фронты преломлённой волны и направление вектора фазовой скорости во второй среде

На более современном рисунке можно наглядно получить преломленный луч при любом угле падения: достаточно во второй среде провести линии фронтов волны более густо, чем в первой.

Рис.2. С помощью этого рисунка можно получить преломленный луч при любом угле падения.
Падающий и преломленный лучи должны пересекать фронты волн под прямымм углом.

Гюйгенс считал, что оперирует с волной. На самом деле он оперировал только со скоростью волны. Другими словами, он оперировал с различной скоростью движения света в различных средах.

Он предположил, что в стекле скорость движения волны будет меньше, и поэтому получил качественное совпадение с законом Снеллиуса.

Все решили, что Гюйгенс нашёл природу света.

На самом деле, если предположить, что частицы света, параллельные в первой среде, будут параллельными также и во второй, то мы получим практически тот же самый рисунок, что и у Гюйгенса, не делая при этом предположения о том, что свет является волной [2].

Таким образом, он не доказал, что свет является волной и не нашёл природу света.

Гюйгенс же, радуясь своему кажущемуся успеху, не обратил внимания на то, что он действовал вовсе не с волной, а только с её скоростью.

Но если бы он и оперировал именно с волной, что было бы этим доказано? Только то, что волна, переходя из одной среды в другую, меняет направление своего движения. Это говорило бы о том, что возможно, и свет является волной, но не более.

Но почему этого не заметил Ньютон?

Объяснение Гюйгенса не было ошибкой, но тем не менее, ввело всех в заблуждение.

Опыт Ньютона с призмой [на самом деле - опыт Роберта Гука, прим. ред] мог дать более исчерпывающий ответ о природе света, но не дал его ввиду того, что Ньютон очень поверхностно провёл этот эксперимент, не исследовав действительного хода лучей и удовлетворившись их предположительным ходом. Сейчас к этому опыту все учебники относятся так, будто он однозначно подтверждает волновую теорию света, но по моему мнению, это не так.

Рис. 3. Ход лучей при разложении света с помощью призмы "по Ньютону" [3]

На рис. 3 представлен ход лучей в призме таким, как его представлял Ньютон. Это только наглядная схема. Всё то, что показано на рисунке, мы на самом деле не видим. Мы видим только то, что появляется на экране: радужную полоску света.

Сама по себе эта полоска о сущности света ничего не говорит, кроме факта «разложения света». Она будет точно такой же, если свет не волна, а поток частиц.

Распространяемое мнение о фундаментальности подхода Ньютона к научным вопросам в случае опытов с призмой явно не подтверждается. Ньютон, по-видимому, практически не исследовал ход лучей. Он, в частности, считал (и поныне все профессора так считают), что входящий в призму луч должен быть очень узким, иначе никакой радуги не увидишь.

На самом деле он может быть любой ширины (это экспериментальный факт). Чем шире входящий луч, тем более яркая радуга. Ширина луча влияет только на расстояние от призмы до экрана, на котором можно наблюдать «радугу».

Если смотреть на рис. 3, то может появиться идея перегородить вблизи призмы каким-либо предметом, например, линейкой, красную или фиолетовую часть спектра. Однако, сколько бы мы ни старались, это у нас не получится. Спектр, возможно, станет чуть менее ярким, но в остальном останется неизменным.

Это заставляет предположить, что ход лучей, как внутри, так и снаружи призмы, совсем не такой, каким его предполагал Ньютон.

Ньютон считал, что разложение света начинается уже на входе в призму. Так ли это или нет, с помощью стекляной призмы довольно трудно проверить. Но многие демонстраторы этого опыта давным давно заметили, что вблизи от призмы увидеть радугу невозможно. Вблизи видна только узкая полоска белого света, окрашенная по краям. Чем ближе к призме, тем относительно меньшую ширину имеют эти окрашенные полоски. Чем дальше от призмы — тем шире окрашенные полоски. На достаточном удалении окрашенные полоски сливаются в одну и мы, наконец, видим «радугу». Это доказывает, что свет внутри призмы не разлагается.

Демонстратор знает, на каком расстоянии надо поместить экран, и наблюдатели даже не подозревают о том, что их, в общем-то, обманывают. Половина правды — наихудший из видов лжи.

Иной дотошный профессор мог бы обратить на это внимание и понять, что Ньютон был глубоко неправ. Но профессор сам опыты не показывает, доверяя его проведение своим помощникам. Поэтому он даже не подозревает о том, что его помощник показывает не действительную картину разложения, вблизи и вдали от призмы, а только тот (желаемый) результат, который описан во всех учебниках.

Чтобы экспериментально выяснить ход лучей внутри призмы, была построена водяная призма (треугольный аквариум) с размерами 30 х 40 х 50 см [4]. И тут выяснилось, что свет внутри призмы не разлагается. Белая бумага, наклеенная внутри аквариума на стенку в том месте, куда падает выходящий луч, оставалась белой. Оставалась она белой и в том случае, если бумагу наклеивали на стенку в месте выхода луча снаружи.

Это пока не трагедия. Это может говорить только о том, что световые лучи любого цвета имеют в воде одинаковую скорость. Измерения скорости света для лучей различной цветности автором на просторах интернета не найдены. Измерение скорости света в воде было осуществлено в 1851 году Арманом Физо. И, по-видимому, с тех пор больше никем.

Для объяснения хода лучей до места выхода лучей из призмы даже в этом случае годится как волновая, так и корпускулярная теория света. Но только до этого места.

Тем, кому покажется, что размеры водяной призмы могут быть слишком малы для экспериментального определения хода лучей внутри призмы, могу предложить съездить на море в хорошую погоду и побродить по мелководью или даже покататься на лодке. Вода на море никогда не бывает абсолютно спокойной, хотя бы небольшое волнение наблюдается всегда. Если вы будете смотреть на песчаное дно, то заметите множество переплетающихся ярких светлых линий на дне, находящихся в вечном движении. Они вызваны меняющимся из-за волнения углом поверхности воды. Любая точка поверхности воды при солнечной погоде — это своего рода входная точка стенки призмы. Дно моря — это вторая стенка призмы, которая в данном случае непрозрачна. Лучи идут как бы только до второй стенки призмы, не выходя из неё. Если вода чистая, вы можете наблюдать эти линии на глубине в несколько метров. Обратите внимание — эти переплетающиеся светлые линии только белые. Они никогда не окрашены даже по краям. Отсюда вы можете понять, что белый луч внутри водяной призмы даже очень больших размеров не разлагается на цветные составляющие.

Но этот факт, как было уже сказано, опровергает только то, что скорости лучей разного цвета внутри воды имеют различную величину.

А дальше начинается необъяснимое. При малейшем расстоянии белого экрана от поверхности призмы наблюдается появление цветной кромки (по Ньютону уже здесь должна быть видна радуга, см. рис. 3). На значительном отдалении от призмы формируется полоска «радуги». То, что вблизи призмы не удаётся перегородить ни одной части спектра, говорит о том, что свет «разлагается» в каждой точке сечения луча на выходной поверхности призмы.

Это схематически показано на рис. 4, взятом из статьи [4].

Рис. 4. Схема разложения света с помощью призмы. Луч белого цвета внутри призмы должен быть узким. Но тогда ничего нельзя показать. Поэтому он условно показан расширяющимся. Разложение света происходит при выходе лучей из призмы. Из каждой точки на выходной поверхности должны выходить семь лучей разного цвета, но условно показаны только два крайних — красный и фиолетовый. Если вдоль поверхности призмы двигать пластинку 1, не удастся погасить ни красный, ни фиолетовый цвета, что и наблюдается при эксперименте.

2. Волна или частица? Третьего не дано?

То, что свет должен бы разлагаться по рис. 3 при входе в призму, было понятно. Это должно было происходить из-за того, что у каждой цветной составляющей предполагалась своя собственная скорость, отличная от скоростей лучей другого цвета. Поэтому луч белого цвета должен был бы начать разлагаться уже при входе в призму. Но он не разлагается, что доказывает равенство скоростей лучей любого цвета внутри призмы.

В воздухе скорость всех лучей любого цвета одинакова. Поэтому, если свет внутри призмы не разлагается, то он не должен бы разлагаться и при выходе из призмы. А он разлагается. Его разделение при выходе из призмы по направлению в зависимости от цвета непонятна (необъяснима). Этого не может объяснить ни волновая, ни корпускулярная теория. Даже в том случае, если свет — электромагнитная волна, как сейчас принято считать, объяснить это всё-таки невозможно.

Отсюда следует, что свет не волна и не частица. Что же он тогда? Ведь третьего, по-видимому, не дано?

Но на уровне наших современных знаний мы даже представить себе не можем, что может существовать третий ответ. Только или — или.

3. Что такое свет, если он «не волна и не частица»?

После нескольких веков споров, что такое свет, волна или частицы, более точные наблюдения

хода лучей в призме позволили заключить, что свет не является ни волной, ни потоком частиц. Это кажется выводом сумасшедшего. Разве кто-то сказал, что свет может быть чем-то иным? Ответ был ясен: или волна, или частицы. Но логика есть логика. Ход лучей в призме доказывает, что свет не может быть ни тем, ни другим. Деваться некуда. Так как свет чем-то является, его сущность должна быть чем-то иным. Но вот намёка на то, чем является иной (третий?) вариант сущности света, эксперименты с призмой никакого не дают.

Искать можно только то, что знаешь. Пойти туда, не знаю куда, принести то, не знаю что — можно только в сказке.

Почти все открытия происходят по воле случая. Но случай благоволит только к тем, кто постоянно ищет. Ему было угодно, чтобы одно доказательство наличия третьей возможности заявило о себе само, без наличия его поисков.

Заявить-то оно о себе заявило, да имени своего не назвало.

А признаков этой возможности никто не знал. Как тут догадаешься, что вот оно, лежит на блюдечке с голубой каёмочкой.

Произошло это почти через два десятка лет после опытов с водяной призмой.

Всё началось с совершенно случайного наблюдения.

Привожу начало статьи [5]:

«Однажды я сидел в тёмной комнате при свете луча лазера, упиравшегося в дверь, и вдруг заметил, что вся моя рука покрыта какими-то мелкими колечками. Я даже вздрогнул от неожиданности. Я пошевелил рукой, и заметил, что колечки скользят по коже руки. Приблизив руку к ярко светящейся точке луча лазера на двери, я увидел, что колечки превратились в подобие очень мелкого яркого бисера, плотно покрывавшего мою руку.

Взяв листок белой бумаги, я сперва приблизил его к яркой точке на двери и увидел, что весь он покрыт ярко блестящим мельчайшим бисером. При удалении от этой точки, бисер стал превращаться во всё более блёклые неправильной формы кружочки. Приглядевшись к стенам и к потолку, я заметил, что они полностью покрыты подобными кружочками».

Это было первое впечатление. Увиденное надо как-то истолковать. Ещё одна цитата из той же статьи:

«Что представляет из себя указанная ярко светящаяся точка от лазера? Источник световых волн? На мой взгляд, это отпадает. Светящаяся точка по существующим понятиям не может создать на противополжной стене сложный рисунок».

Больше всего это было похоже на проекцию некоторого рисунка, орнамента. Что за рисунок или орнамент мог служить основой, казалось, было понятно: это неровности поверхности освещённого лазером пятна. Но что могло служить проектором? Ведь наблюдалось обыкновенное отражение луча лазера от стенки.

Ввиду отсутствия других идей была рассмотрена именно эта гипотетическая возможность. Было принято, что отражённый свет каким-то образом проектирует структуру (неровности) освещённого пятна на все стены помещения. При этом достигалось как-бы увеличение этого пятна более чем в 20.000 раз (современные законы оптики допускают увеличение только до 2.000 раз). Но и при этом возникали некоторые противоречия. Объяснить обнаруженное явление до конца и при таком предположении не удавалось [5].

от точки, освещаемой лазером мощностью менее 100 милливатт.

Через два с лишним года, при очередной попытке как-то осмыслить полученный результат, случайный толчок привёл к сдвигу луча лазера (точке отражения света луча лазера) всего на несколько миллиметров. Если бы указанная картина возникала из-за неровностей шероховатой поверхности, то при этом сдвиге должна была бы полностью, и при том несколько раз, поменяться изображаемая картина. Картина же осталась практически прежней [6]. Она только сдвинулась!

Этот момент был перепроверен множество раз. При очень медленном смещении точки отражения лазера было чётко видно, что отражённая картина (получаемый орнамент) нисколько не меняется, а только медленно сдвигается, как нечто целое. Это означало полное отсутствие влияния неровностей поверхности в месте отражения луча лазера на получаемую картину (рис. 5). Следовательно, свет лазера отражается явно без соприкосновения со стеной!

Рис.5

Но если неровности освещённого пятна не при чём, то откуда мог взяться «бисер»? Ответ на это был единственный: только из самого луча лазера.

«Сомнений не оставалось. Эти 10 миллионов пятен или лучей идут непосредственно из лазера. Другими словами, луч лазера состоит из 10 миллионов независимых сублучей, которые, похоже, никак не взаимодействуют друг с другом [6]!»

В этой цитате слово «лучи» не совсем уместно, так как луч не предполагает наличие поперечного сечения. Но он говорит о наличии перемещения. Если мы объединим это качество луча с «пятном», которое явно имеет площадь, то мы получим нечто вроде стержня или трубочки, причём конические. «Бисер», как было сказано в статье [5], сперва очень мелкий, постепенно увеличивается и превращается в «колечки», которые ещё дальше превращаются в пятна.

Сечение луча лазера примем за 1 мм². Тогда первоначальное сечение трубочек, когда они выходят из лазера, будет примерно равно 0,00000001 мм², а их диаметр около 0,0001 мм.

Луч лазера, состоящий примерно из 10 миллионов трубочек, в момент отражения превращается в такое же количество конических трубочек, исходящих (начинающихся) от освещённой точки и занимаюших всё полупространство по одну сторону стены, на которую падает луч лазера.

Что представляет из себя этот свет, этот бывший узкий луч лазера, распространяющийся в внутри телесного угла в 180 градусов?

Отражённый свет лазера, конечно же, не волна. Волны начинались бы в каждой точке освещённого пятна, и никак не могли бы дать картину множества «бисеринок» вблизи освещённого пятна.

Но это и не частички. Частички света могли бы дать картину «бисера» только в случае наличия проектора, причём для достаточной резкости изображения свет должен был бы исходить именно из точки, а не из относительно большого пятна.

Конические световые трубочки, картину которых мы можем себе представить по мере отодвигания экрана от светлого пятна, образуемого на стене лучом лазера, это, повидимому, и есть то, что не является «ни волной, ни частичками».

Конечно, нельзя сказать, что они имеют ту самую сущность, которую имеет (солнечный) свет, проходящий через призму, и который также «не волна и не частички». Но когда было сделано такое заявления, мы понятия не имели, что это такое. Теперь же мы можем предполагать, что это, возможно, нечто подобное только что рассмотренному.

Если стену осветить не одним лучом лазера, а скажем десятью или даже сотней, то орнаменты, похожие на орнамент по рис. 5, наложатся друг на друга, и, скорее всего дадут более или менее равномерное освещение всех стенок «полусферы», такое, какое мы получаем от обычной лампочки.

Встаёт вопрос, можно ли обычный свет, даже свет обычной свечи, представить как наложение отражений света многих лазеров? Предположительно, да. Но как доказать, что это будет точно такой же свет?

Такая задача при написании статей [5], [6], конечно, не ставилась. Не ставится она и сейчас.

По мнению автора, важно, прежде всего то, что мы теперь можем действительно быть уверены в том, что фраза о том, что свет не является ни волной, ни частицами, появившаяся при написании статьи [4] о ходе лучей в призме, не является бредом сумасшедшего. Но является ли содержание статей [5], [6] единственным ответом на вопрос о том, чем же тогда является свет, пока, разумеется, ответить невозможно. Свет слишком сложное явление, чтобы можно было быть уверенным, что мы, наконец, знаем, что это такое.