Аберрация. Скорость света

 

     В 17 столетии, при наблюдении звёзд, было открыто новое явление, названное аберрацией света. Интересно то, что если бы Земля двигалась равномерно и прямолинейно по отношению к звёздам, наблюдатель не смог бы эксперементально установить наличие аберрации света. Аберрационное смещение излучения звёзд наблюдается потому, что в разных точках орбиты движение Земли имеет различное направление. Это конечно не говорит о том, что если наблюдатель движется равномерно и прямолинейно, то аберрация света отсутствует. Просто, тогда ему не с чем было бы сравнивать направление света, и он мог бы принять кажущееся направление на звезду за истинное.

     После этого открытия возник вопрос: существует ли абсолютная система отсчёта? Ведь аберрация света – прямое подтверждение этого. Можно ли обнаружить абсолютную систему отсчёта при помощи других оптических явлений? Теоретические соображения привели к заключению, что это вполне возможно. Например, коэффициент преломления света должен быть разным, в зависимости от того, движется Земля навстречу источнику света (звезде) или от него. В 1818 году Араго проделал опыт и ничего не обнаружил. А точность приборов позволяла увидеть предсказанный теорией эффект. Возникло противоречие, поставившее на некоторое время в тупик. С аберрацией света также не всё было благополучно:
     «Угол наклона телескопа определяется отношением пути, который он «проезжает» за время, пока свет проходит от вершины телескопической трубы до основания, к её длине. Или, что то же, угол наклона определяется отношением V/C. Причём (и это очень существенно) здесь C по своему смыслу не что иное как скорость распространения света именно внутри трубы телескопа.
     И вот кто-то (Автор опыта неизвестен. Этот эксперимент проделал, в частности, Эйри (1872г). Но если верить Майкельсону («Лекции по оптике»), у Эйри были предшественники, причём эксперимент был сделан, во всяком случае, до опытов Физо (1851г). Точную ссылку на работу Майкельсон не даёт.) проделал исключительно эффектный опыт – трубу телескопа залил водой.
     Скорость распространения света в воде отлична от скорости в воздухе, и составляет примерно ¾ её. Следовательно, угол аберрации звёзд для таких «водяных» телескопов должен изменится, увеличившись в 4/3 раза.
     Проделали опыт, измерили угол и получили, что в «водяном» телескопе он остался прежним.
     Это уже ни на что не было похоже.» (В.Смилга «Очевидное? Нет, ещё неизведанное…» стр.200-201 «Молодая гвардия» 1961г.).

     Сначала такое противоречие поставило всех в тупик. После было создано несколько остроумных гипотез, объясняющих опыт. Однако все они не выдержали испытания временем и были опровергнуты.
     Давайте рассмотрим процесс движения фотонов в пространстве, с точки зрения нашего предположения. Фотон – это частица, у которой вся энергия находиться в кинетической форме, и тогда она должна двигаться с максимально возможной скоростью – скоростью света в вакууме. Если фотон будет двигаться с меньшей скоростью, то тогда часть кинетической энергии, по закону сохранения энергии, должна перейти в потенциальную форму, и тогда эта частица фотоном уже не будет. Может стоит предположить, что скорость света в воде не отличается от скорости света в воздухе и равна скорости света в вакууме? Иначе – скорость света постоянна и не зависит от среды, в которой распространяются фотоны. Рассмотрим, к примеру, твёрдое тело, состоящее, как мы знаем из атомов. В атоме материя расположена не равномерно, а сконцентрирована в ядре и в электронах, вращающихся вокруг ядра. Размеры ядра и электронов по сравнению с размером самого атома очень малы. Всё остальное «огромное пустое» пространство и есть вакуум. Теперь рассмотрим взаимодействие фотонов и частиц имеющих массу покоя. Фотоны могут поглощаться частицами с массой покоя и испускаться ими. При поглощении фотона, он исчезает полностью. Частично делиться энергией он не может. Если, по каким-то причинам не происходит поглощение фотонов в веществе, то что же мешает этим фотонам двигаться в вакууме, окружающем ядра атомов и электроны, с соответствующей скоростью? Получается, что фотоны могут двигаться только в вакууме, и с соответствующей скоростью – скоростью света в вакууме, независимо от того двигаются они в «чистом» вакууме или в вакууме «внутри» вещества.
     Откуда пошло представление о различии скорости света в различных средах? Для количественного расчёта законов преломления и отражения Гюйгенсом был сформулирован общий принцип, позволяющий, исходя из положения волнового фронта в какой-нибудь момент времени, найти положение волнового фронта для ближайшего момента времени. Уже в принципе Гюйгенса говорится о скорости света, свойственной среде. В те времена, когда не знали об устройстве атома, а также, что свет состоит из отдельных частиц, такие представления были вполне естественными. На основании принципа Гюйгенса был сформулирован физический смысл коэффициента преломления: «коэффициент преломления равен отношению скорости световой волны в первой среде к скорости её во второй». ( «Элементарный учебник физики» под редакцией Г.С.Ландсберга том3 стр.306 «Наука» 1966г.)
     Тогда явление дисперсии показывает, что скорость света в веществе различна для фотонов разной энергии. Но и это ещё не всё. В 1670 году Гюйгенс обнаружил, что если пропустить через кристалл исландского шпата луч света, то на выходе из кристалла он раздвоится. Но тогда получается, что в одном и том же кристалле один луч движется с одной скоростью, а второй с другой. Это уже совсем нехорошо. Эти два луча отличаются только поляризацией.

      Подводя итог можно сказать, что скорость света в веществе зависит:

1. От вещества, в котором распространяется свет.

2. От характеристик самого света:

     2.1 От энергии фотонов (дисперсия)

     2.2 От поляризации фотонов (двойное лучепреломление)

     Получается слишком много факторов, от которых зависит скорость света в веществе. Посмотрим на этот процесс с точки зрения закона сохранения энергии. Если фотоны уменьшают свою скорость, то и их энергия должна измениться. При этом они должны обмениваться энергией с веществом, в котором они распространяются. Однако фотоны либо поглощаются полностью, либо не поглощаются вовсе, частично изменять свою энергию они не могут. Для уменьшения скорости света в веществе может быть только один выход – поглощение фотонов веществом, с последующим их испусканием с той же энергией. При этом, между поглощением и испусканием фотона проходит какой-то промежуток времени, что и может привести к увеличению времени прохождения данного расстояния. Однако при этом отсутствует связь между направлением движения поглощённого и испущенного фотонов, что может привести только к рассеиванию света. Но возбуждённые атомы вещества могут не только самопроизвольно излучать фотоны, этот процесс могут ускорить другие кванты света соответствующей энергии. Это свойство используется в квантовых генераторах – лазерах. Тогда излучение, проходящее через вещество должно быть когерентным. Однако этого мы не наблюдаем.
     Можно представить, что преломление никак не связанно с разностью скоростей фотонов в разных средах, а чисто поверхностное явление, происходящее на границе веществ (в том числе на границе вещества и вакуума), как и отражение. Ведь в случае отражения и падающий луч, и луч отражённый распространяются в одной и той же среде, отличаясь только направлением движения фотонов. И никто не предполагает, что фотоны движутся с разной скоростью. Почему же в случае преломления мы так уверенны в этом? При изменении направления движения фотонов происходит поворот плоскости колебаний, которая перпендикулярна направлению движения (так как свет - это поперечные волны). Можно предположить, что отражение и преломление – это две стороны одного явления, происходящего на границе двух сред, и не как не связанно с разницей скоростей света в этих средах.

      Вот ещё доводы в пользу того, что отражение и преломление это одно явление:
     «Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отличен от нуля, отражённый и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отражённом луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения». (И.В.Савельев «Курс общей физики» том 2 стр.432 «Наука» 1988г.)

     «Интересно отметить, что закон отражения может быть формально записан в том же виде, как и закон преломления. Мы условились всегда измерять углы от перпендикуляра к соответствующему лучу. Следовательно, мы должны считать угол падения и угол отражения имеющими противоположные знаки. Мы видим, что закон отражения можно рассматривать как частный случай закона преломления при n= -1. Это формальное сходство законов отражения и преломления приносит большую пользу при решении практических задач». ( «Элементарный учебник физики» под редакцией Г.С.Ландсберга том3 стр.207 «Наука» 1966г.)

     Тесная связь явлений отражения и преломления показывает на то, что это одно явление, происходящее на границе разных сред. При этом меняется направление движения фотонов, и нет необходимости во введении разницы их скоростей в этих средах.
     Были ли попытки измерить скорость света не в воздухе, а в какой-нибудь другой среде? Да, были. «В 1862 году, для определения скорости света, Фуко применил очень точный приём – метод вращающегося зеркала. При этом полученные данные близки к современным. Вводя на пути света трубу с водой, Фуко мог непосредственно измерить скорость распространения света в воде и получил значение, в 4/3 раза меньшее, чем в воздухе, в соответствии с представлениями Гюйгенса». («Элементарный учебник физики» под редакцией Г.С.Ландсберга том3 стр.339-340 «Наука» 1966г.)

             

     В этом опыте измерялась скорость света при прохождении участка AB-BA. Скорость определялась по углу поворота луча. Теперь ответим на вопрос: вызывает ли сомнение опыт для определения скорости света в воздухе? Нет, так как среда измерения однородная. А вот для измерения скорости света в воде сомнения имеются, так как среда не однородная. И тогда свет переходит из одной среды в другую: воздух – вода – воздух – зеркало и назад в обратной последовательности (не учитывая стекло, удерживающее воду в трубе, и пропускающее свет). В этом опыте всё должно быть идеальным. Стекло удерживающее воду должно быть идеально гладким и ровным. Взаимная ориентация стёкол удерживающих воду с двух сторон должна быть строго параллельна. Вся эта конструкция должна быть установлена идеально перпендикулярно лучу света. При малейшем нарушении этой идеальности возникает преломление света, и тогда увеличивается путь движения луча света. Это может привести к сильному искажению результата. Усугубляет дело и то, что неподвижное зеркало делалось сферическим с очень большим радиусом кривизны, так что центр его совпадал с центром вращающегося зеркала. Благодаря такому устройству свет при любом положении вращающегося зеркала распространялся вдоль радиуса зеркала неподвижного, падал перпендикулярно на его поверхность и после отражения шёл вновь по радиусу неподвижного зеркала, возвращаясь к вращающемуся зеркалу. То есть за оборот вращающегося зеркала, был только один момент, когда луч света мог быть перпендикулярен трубе с водой. Такой эксперимент применим только для однородной среды. Но даже если мы проведём этот опыт полностью в воде, то и он не будет достоверен, так как результат может исказить волнообразное движение воды от вращающегося зеркала. Опыт с вращающимся зеркалом совершенно не подходит для определения скорости света в воде.
     Были ли ещё попытки определения скорости света в какой-либо среде, отличной от воздуха? Я таких не знаю. Да и зачем, ведь принцип Гюйгенса был подтверждён опытом Фуко. И тогда остаётся лишь уточнить скорость света в воздухе, а скорость света в любой среде можно рассчитать.
     Итак, имеются два опыта, для определения скорости света в воде, с противоположными результатами. Опыт с «водяным» телескопом говорит о том, что скорость света в воде и в воздухе одинакова. Опыт Фуко показывает, что эти скорости различны, подтверждая принцип Гюйгенса. Что можно сказать? В опыте с «водяным» телескопом имеются значительные преимущества. Среда, в которой происходит измерение однородна и неподвижна. Сравниваются два состояния, когда телескоп заполнен воздухом и когда заполнен водой. Ещё одним преимуществом является отсутствие движения частей установки для проведения опыта. А вот к опыту Фуко имеются обоснованные претензии к его применению в неоднородной среде.
     Может быть, фотоны дошедшие до нас от далёких звёзд имеют какие-нибудь особые свойства? И тогда они движутся в любой среде с одинаковой скоростью? Чем могут отличаться фотоны испущенные звёздами от фотонов полученных на Земле? Направление движения фотонов, дошедших до нас от звёзд, почти параллельны, так как с остальными они разошлись, пока преодолевали огромные расстояния. Плотность расположения фотонов на единицу площади гораздо меньше, чем в луче света, полученного на Земле. А вот скорость движения фотонов должна быть одинакова, независимо от того где они образовались.
     Тут можно возразить, что излучение Черенкова подтверждает различие скоростей света в веществе и в вакууме. Но один и тот же факт можно объяснить по-разному. Главное чтобы объяснение одного факта не противоречило другим. Выигрывает та теория, которая непротиворечиво объяснит большинство фактов известных человечеству (в идеале все, но пока мы далеки от этого), а ещё лучше, если сможет предсказать ещё неизвестные явления. Излучение Черенкова можно объяснить и по другому, например тем, что частицы, имеющие большую кинетическую энергию при резком торможении и невозможности перевести эту энергию в потенциальную, или поделится ей с другими частицами вынуждены отдавать её в виде излучения. Тогда интенсивность и спектр излучения будет зависеть от энергии частиц, испускающие фотоны, от плотности среды и подвижности атомов и молекул вещества этой среды. С этой точки зрения интенсивность излучения в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше чем в твёрдых телах. Ведь объясняем мы так возникновение тормозного рентгеновского излучения, при торможении электронов в твёрдых телах. Может быть, эти излучения имеют одну природу?

     Если скорость света постоянна, и не зависит от среды, то какие мы можем сделать выводы? Для обнаружения абсолютной системы отсчёта (пространство, вакуум), из оптических явлений подходит только аберрация света! На других оптических явлениях, движение в пространстве сказываться не будет. Что не противоречит фактам. А это очень важный момент, так как СТО победила из-за того, что другие теории, объясняющие отрицательный результат опыта Майкельсона с точки зрения «классической» физики, не могли объяснить невозможность обнаружения движения в пространстве с помощью других оптических явлений. Если скорость света постоянна, и не зависит от среды, то теория относительности Эйнштейна сразу теряет монополию на объяснение результатов опыта Майкельсона.
     Попытаемся описать взаимодействие фотонов с движущимися объектами с точки зрения нашего предположения и законов «классической» физики. Фотон – частица имеющая только кинетическую энергию и поглощаться может только полностью. Тогда, какую энергию он имеет, такую и сможет отдать при взаимодействии с веществом (поглощении), независимо от того движется вещество к фотону или они движутся в одном направлении. Разница будет только в количестве фотонов на определённой площади за единицу времени.

     Но существует ещё опыт Физо (1851г.). (И.В.Савельев «Курс общей физики» том 2 стр.470 «Наука» 1982г.) При этом опыте параллельный пучок света разделяется полупрозрачной пластинкой на два пучка, которые с помощью системы зеркал, проходя одинаковый путь, навстречу друг другу, снова попадали на пластинку, в результате чего возникало два когерентных пучка, которые давали в фокальной плоскости зрительной трубы интерференционную картину в виде полос. На пути пучков были установлены две трубы, по которым могла пропускаться вода, причём один луч всегда двигался по течению воды, другой всегда против. Физо обнаружил, что интерференционные полосы смещаются, при включении тока воды.

     Если скорость света постоянна, и не зависит от среды, тогда движение воды никак не должно сказываться на результате опыта. Однако такая зависимость есть. Попробуем разобраться в этом опыте. Складываемые скорости не соизмеримы, так как скорость движения воды не выходит за границы погрешности для скорости света. О результате судят по косвенным данным – смещению интерференционных полос. Почему они смещаются? Возможное преломление на границах среды воздух – вода на результате не сказывается, так как присутствует в обеих частях опыта. Переменной составляющей опыта является ток воды и его отсутствие. То есть дело в самой воде. Теперь вспомним, что ток жидкости не равномерен, а возникают завихрения (турбулентность потока). При этом в разных частях жидкости возникает разное давление, в одном месте она более сжата, чем в среднем, в другом может возникнуть разряжение. Сжатая и разряженная жидкости обладают разным коэффициентом преломления. То есть преломление может возникнуть в самой воде, при её движении и отсутствовать при неподвижной среде. При включенном токе воды, на пути лучей возникнут многократные преломления. На интерференционной картине будет сказываться наибольший перепад давлений (области наибольшего сжатия и разряжения), а они зависят как раз от скорости подачи воды в систему. Так как жидкости плохо сжимаются и разряжаются, то этот эффект можно наблюдать только по смещению интерференционной картины.

     Однако его можно увидеть даже не вооружённым глазом. Для этого необходимо использовать разность температур. При низкой температуре жидкость более сжата, чем при высокой. И коэффициент преломления у них отличается. Можно провести такой опыт: в ёмкость с белым дном (для улучшения отражения) налить до краёв воды. Сверху можно накрыть стеклом (для выравнивания поверхности и устранения бликов от волн), оставив место для стока. В ёмкость с водой опустить небольшой шланг, по которому будет подаваться вода. Если вода в ёмкости холодная, то подавать надо горячую и наоборот. При включении тока воды мы увидим на дне двигающиеся области более освещённые и менее. По ним можно наблюдать за завихрениями потока. Чем больше перепад температур, тем чётче видны завихрения. По мере выравнивания температур чёткость картины исчезает. Когда температура воды в ёмкости и в потоке становятся равными, тени на дне, видимые глазом исчезают. Так как перепад давления, созданный самим потоком, очень мал и тень на дне глазом не воспринимается.

     Это явление наверное каждый наблюдал в обыкновенном чайнике при его нагреве. Особенно заметно это явление в электрическом чайнике, где перепад температур больше.