[вернуться к содержанию сайта]

    Наукой занимаются живые люди, поэтому для её развития характерны динамические процессы, аналогичные активным процессам жизнедеятельности. В науке возникают кризисы и ускорения, скачки и провалы, отклонения и отступления, находки и потери, ошибки и заблуждения, открытия и торжество прогресса. В общем, все эти противоречивые процессы можно условно назвать “зигзагами” науки. Вот с этими зигзагами и приходится иметь дело космонавтике, особенно, если возникают проблемы исторического масштаба, когда надо разрывать устаревшие догмы и путы и устремляться вперёд, в неизведанное будущее.

    Физика как важнейшая наука о природе отличается от других наук тем, что она изучает фундаментальные физические явления и процессы, возникающие в материальном мире. Её плодами и результатами пользуются все другие естественные и специализированные науки. Успехи учёных-физиков неоспоримы, однако и “на старушку бывает прорушка”. При изучении природы света возник ряд противоречивых проблем и тупиковых ситуаций, из которых почти целое столетие не найден выход.

    В своё время И. Ньютон, увлекавшийся многими проблемами механики, астрономии и физики, сделал предположение, что потоки света, излучаемые космическими и земными источниками, состоят из мельчайших материальных частичек – корпускул. Корпускулярная или квантовая (по предложению Планка) природа света подтверждалась многими физическими опытами, в том числе давлением света, фотоэффектом, взаимодействием частиц света – фотонов с полями тяготения небесных тел и др. Дальнейшее изучение природы света позволило обнаружить новые свойства фотонов – интерференцию, дифракцию, дисперсию, поляризацию и другие явления, которые характерны для волновых процессов.

    Было также обнаружено, что и другие “элементарные” частицы атомов – электроны, позитроны, нейтроны и т.п. также обладают корпускулярными и волновыми свойствами. Такой корпускулярно-волновой “дуализм” фотонов и других “элементарных” частиц оказался для учёных труднообъяснимым (смысл кавычек заключается в том, что все эти частицы представляют собой сложные и далеко не элементарно физические системы).

    Некоторые исследователи обвиняли И. Ньютона в том, что он легкомысленно назвал частицу света корпускула, представляя её в виде микроскопической пылинки или твёрдого тела ничтожно малых размеров (в переводе с латинского “корпускула” означает “тельце”), которая вследствие примитивности своего строении могла двигаться только поступательно и не была способна проявлять волновые свойства.

    Эти деятели не учитывали тот факт, что гениальный Ньютон даже огромные космические тела планеты, Солнце, звёзды и галактики принимал за “материальные точки” пренебрегал почти всеми физическими свойствами этих тел (плотностью, объёмом, упругостью вещества и др.), кроме массы и результирующей силы тяготения. Благодаря этому его знаменитый закон всемирного тяготения, проверенный на практике, оказался весьма лаконичным и удобным для расчётов и исследований небесной механики. Конечно, на фоне таких “материальных точек” ничтожно малый фотон можно уверенно называть корпускулой, что и сделал И. Ньютон.

    Однако вернёмся к проблемам развития знаний о природе света. Странное сочетание корпускулярных и волновых свойств света требовало какого-то объяснение и обоснования. В XIX веке была сделана попытка найти решение задачи не путём рассмотрения физической структуры фотона (до этого ещё наука “не доросла”), а с помощью аналогии распространения света и звука.

    Для этого была выдвинута гипотеза о том, что свет распространяется с постоянной скоростью c=300 000 км/с в особой физической среде – эфире. Это объясняется тем, что к тому времени, когда возникла такая гипотеза, в физике был накоплен большой и достоверный материал о физических свойствах распространения звуковых колебаний в различных средах – в твёрдых телах, жидкостях и газах. При этом было установлено, что в этих средах звук распространяется с постоянными скоростями, характерными для каждой физической среды (например, в воздухе – 330, в воде – 1500, железе – 5170 м/с и т.д.). Поскольку передача звука происходит через физическую среду, то, по аналогии, решили, что и свет, имеющий колебательный характер, также должен передаваться через какую-то среду и иметь при этом постоянную скорость распространения. Именно эту среду назвали эфиром.

    Чтобы обеспечить необходимую скорость распространения света в эфире, считали, что эта среда должна была обладать особыми физическими свойствами. Гипотеза об эфире нашла не только сторонников среди учёных-физиков, но и много противников. Противники гипотезы эфира считали, что между распространением звука и света нет аналогии, поскольку их физическая природа различна. Световой луч – это поток материальных частиц, летящих от излучателя прямолинейно с огромной скоростью.

    Распространение же звука не сопровождается переносом какого-либо вещества в направлении движения звуковой волны. Каждая частица звукопередающей среды совершает колебания относительно положения своего равновесия, а звук распространяется путём передачи энергии колебаний среды от одной частицы к другой. Свет совершенно свободно проходит через вакуум и преодолевает межзвёздные космические пространства. А звук не передаётся через вакуум (там нет звукопередающей среды). Для света материальная среда только мешает его распространению, а для звука среда – это основа его существования. Поэтому космос наполнен световыми потоками, а звуков там нет.

    В 1881 году Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931), провёл опыт с интерферометром с целью обнаружения эфира и определения его свойств как светопередающей среды. Обработка результатов опыта (а аналогичные эксперименты, которые продолжались в других странах вплоть до середины XX века) показала, что гипотеза об эфире не подтверждается. Отрицательный результат вызвал кризис среди физиков. Сторонники гипотезы об эфире (их называли “эфиристами”) стремились найти выход на этого кризиса путём “совершенствования” свойств эфира. Противники этой гипотезы пытались найти другие пути решения, но пока безуспешно. В этом идеологическом противостоянии и возникло новое направление в физике – теория относительности. Её основоположник Альберт Эйнштейн (1879-1955) в 1905 г. опубликовал первую статью, посвящённую теории относительности, в которой был выдвинут постулат о том, что скорость света является постоянной величиной, не зависящей от скорости движения источника излучения и приёмников света. О несостоятельности так называемого постулата постоянства скорости света уже шла речь в части 1. По существу всё это было как бы продолжением тех представлений о свойствах света, которые предлагали “эфиристы”, но без упоминания об этой гипотетической среде. Никаких физических обоснований в предложениях Эйнштейна не было, кроме некоторой математической модели процесса распространенна света, а также мысленных опытов со светом и анализа физических явлений, происходящих при больший скоростях движения тел.

    В первые годы после появления этой теории она не имела успеха. И только в тридцатые годы, после острой дискуссии в нашей стране, она получила идеологическую поддержку со стороны научного и государственного руководства и стала “официальной” наукой, которую нельзя было критиковать. Заметим, что и в настоящее время теория относительности “охраняется” от нападок и критики её сторонниками, имеющими “большой вес” в научных кругах.

    Следует заметить, что и за рубежом имеется много сторонников теории относительности, которые утверждают, что её научные положения якобы подтверждаются многими физическими опытами и явлениями природы. Критический анализ этих и других опытов, проведённый нами (см. ниже), показал, что они не соответствуют теории относительности, а, наоборот, подтверждают, что скорость распространения света подчиняется (согласуется) общему (классическому) для всех видов материи закону сложения скоростей, предложенному Галилеем.

    Однако релятивистский постулат теории относительности о постоянстве скорости света обладает ещё “законоутверждающей” силой и используется многими физиками при выполнении своих исследований. Вследствие этого возникает много недоразумений и неудач в их работе, которые не способствуют прогрессу в науке.

    Какое значение для развития космонавтики могут иметь постулаты и формулы теории относительности? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим мысленный опыт, который является основополагающим в этой теории, и оценим те последствия, которые в нём предсказываются при движении тел с большими скоростями (например, при полёте звездолёта).

    Мысленные опыты являются весьма распространённой формой проведения теоретических исследований, и во многих случаях они дают полезные положительные результаты. Поэтому мысленный опыт специальной теории относительности (СТО) привлёк внимание физиков. Для них мысленный опыт СТО имеет особое значение: он позволяет представить (если опыт не ошибочный), какие последствия ожидают космические летательные аппараты, если они дерзнут лететь со скоростями, соизмеримыми со скоростью света.

    Суть мысленного эксперимента СТО заключается в следующем. Рассматривается процесс движения тела А со скоростью v_x относительно наблюдателя Н. С наблюдателем и с центром масс тела соответственно связаны системы отсчёта OXYZ и Ox₁y₁z₁,. одноимённые оси которых параллельны друг другу (рис. 2.1.1).

    Тело A и наблюдатель Н движутся относительно друг друга как инерциальиые системы – равномерно и прямолинейно. Физического взаимодействия между ними нет. Теория относительности считает, что если скорость их относительного движения совпадает с осью координат Ox₁, то наблюдатель может обнаружить следующие эффекты: масса тела m, длина тела L_x (по оси Ox₁), “ход времени” T у тела будут изменяться в соответствии с зависимостями m=m₀ψ^–1; L_x=L₀ψ; T=T₀ψ, где ψ=(1– v_x²/с²)^1/2 – релятивистская функция; m₀, L₀, T₀ – значения массы, её размера, "хода времени" при v_x=0 (параметры тела в состоянии "покоя"); с – скорость света.

    При возрастании скорости относительного (v_x→с) движения функция ψ→0. Это означает, что состояние тела меняется так, что его масса m→∞, размер L_x→0 и "ход времени" T→0.

    Физических причин, которые могли бы вызвать такие изменения параметров тела, создателем этой теории и его последователями не приводится, указано только, что происходит изменение относительной скорости движения тела.

    Проведём критический анализ мысленного опыта и его результатов. Сразу бросается в глаза, что в этом опыте много недоразумений и противоречий. Например, поскольку нет физического взаимодействия между наблюдателем и движущимся относительно него телом, то нет каких-либо причин для изменения свойств этого тела. Далее, ряд недоумений связан с информационной недостаточностью опыта: исходным аргументом в этом опыте является только скорость v_x1 относительного движения, а в выходных результатах фигурируют массы тела m и m₀, длины L_x и L₀, "ходы времени" T и T₀, а также скорость света c. Величины L₀, T₀ и относятся к априорной информации, которую наблюдатель должен получить (или знать?) ещё до проведения опыта. Но, как следует из содержания опыта, эти данные у наблюдателя отсутствуют. Параметры m, L_x1 и T получаются в результате измерений или наблюдений за движением тела. Однако в опыте отсутствуют сведения о том, излучает ли тело какие-либо сигналы о своём состоянии, каким образом наблюдатель их воспринимает и анализирует. Если тело не излучает сигналов (или не светится), то наблюдатель не сможет что-либо обнаружить и описание мысленного эксперимента является бессмыслицей. Если же тело излучает сигналы (световые или радиосигналы), то возникают вопросы, связанные с проблемой их приёма: какими приборами или органами чувств наблюдатель воспринимает их; какие погрешности измерений при этом могут быть и т.п. Заметим, что наблюдатель не имеет каких-либо технических средств для решения этой задачи. Полученные в этом опыте конечные результаты вызывают недоумение. Действительно, откуда у равномерно и прямолинейно движущегося тела (состояние покоя) возникает дополнительная масса? Если она появится “из ничего” (из окружающего пустого пространства), то это противоречит закону сохранения материи (вещества, массы). Сокращение размеров тела (его сплющивание) может быть только под действием внешних сил, преодолевающих силы упругости вещества, из которого состоит тело. Для твёрдых тел упругие деформации могут быть в ограниченных пределах, поэтому при v_x1→с и L_x1→0 тела должны разрушаться.

    В эксперименте не ясно, что означает “ход времени” у движущегося тела. Понятие “хода времени” (как “единого” для всего тела) физически нереально. Если таким телом является массивная глыба или какое-либо небесное тело, то откуда взяться “ходу времени” – по частоте колебаний атомов или молекул различных веществ, по вращению всего тела или колебаниям его составных частей и т.п.? Даже у живого организма “ход времени” может быть бесконечно разнообразен: частота биения сердца – это одно “время” (а оно меняется от состояния организма); частота колебаний биотоков живых клеток – это уже другое множество “времён”. Конечно, можно поместить на теле какой-то генератор сигналов стабильной частоты и моделировать тем самым “ход времени” тела. Но о таком решении этой “временной” проблемы в опыте не упоминается.

    Все эти недоразумения и противоречия, обнаруживаемые в мысленном опыте теории относительности, убеждают нас в том, что его результаты не содержат научной основы, а вытекающие из него выводы – ошибочны.

    Методическая ущербность рассмотренного мысленного опыта позволяет обнаружить ряд парадоксов. Например, пользуясь тем, что системы отсчёта OXYZ и Ox₁y₁z₁ равноправные и связаны с телами (в том числе и наблюдателя), движущимися равномерно и прямолинейно, можно включить ещё одного наблюдателя, поместив его в центр штрихованной системы координат. В этом случае, если следовать логике описания мысленного опыта теории относительности, то произойдёт следующее: первый наблюдатель, связанный с системой координат OXYZ, обнаружит, что его коллега, движущийся со скоростью v_x1, увеличится по массе, сплющится в направлении оси Ox₁, а его сердце и все виды биотоков замедлят частоту своего биения, то есть с этим человеком должна произойти катастрофа. В то же время второй наблюдатель, связанный с системой отсчёта O₁x₁y₁z₁, увидит точно такие же изменения с организмом своего партнёра в системе координат OXYZ. Если эти изменения носят летальный характер, то и мысленный опыт заканчивается гибелью его участников.

    Другой парадокс заключается в следующем. Если за телом, связанным с системой отсчёта O₁x₁y₁z₁, будет следить не один, а несколько наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно относительно тела с различными скоростями v_i (i=1, 2,…, n – индекс наблюдателя), то каждый из них обнаружит, что это тело обладает одновременно различными массами m_i, размерами L_xi, и "ходами времени" T_i. Вполне понятно, что подобного рода явления быть не должно, а причиной этого чуда является ошибочная методика опыта.

    И, наконец, ещё один пример. Предположим, что наблюдатель находится в системе координат OXYZ, связанной с таким телом, как частица света – фотон, летящий со скоростью света (это возможно, так как опыт – мысленный). В этом случае наблюдатель, оглянувшись вокруг, увидел бы, что все тала звёздного мира оказались с бесконечно большими массами, их форма – сплющенная до нуля, а "ход времени" на них – остановился. Это означало бы, что наступила бы вселенская катастрофа, то есть всё Мироздание было бы разрушено.

    А если представить, что тот же наблюдатель летит на звездолёте быстрее света (а мы собираемся сделать это), то он увидел бы окружающий звёздный мир в таком состоянии, которое невозможно ни описать, ни представить. Вот таковы удивительные эффекты, которые можно ожидать в мысленном опыте теории относительности! Какое счастье для человечества, что этот опыт является только мысленным, и всё происходит только в воображении сторонников теории относительности.

    Отметим ещё одну, довольно-таки коварную особенность мысленного опыта: в нём используется "магия формул". Действительно, если автор опыта ссылается на весьма "солидные" формулы, значит существует какая-то теория (а ведь теории зря не выдумывают), математическая логика и т.п. Тем более, что эти формулы трактуются правильно: при v_x→с масса тела растёт и т.п. А раз выводы автора основаны на “теории”, значит они должны быть правильными. На подобную “удочку” с формулами попадались не только крупные “щуки”, но и “акулы” от науки, обладающие весьма солидным авторитетом (вплоть до академика) и властью (директор НИИ, председатель Комитета и т.п.). Причём они не разбираются в сути фокусов, заложенных в формулах (иногда без всякой физической основы, как это имеет место в рассматриваемом опыте), а принимают их “на веру”, ссылаясь на “непогрешимость” или “гениальность” фокусника. Из этого поучительного примера можно сделать вывод о том, что предлагаемые в мысленных опытах теории (с формулами) должны быть научно обоснованы и опираться на реальные физические закономерности.

КАК СОГЛАСУЮТСЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ С МЫСЛЕННЫМИ ОПЫТАМИ СТО

    Мысленные опыты очень рекламируются физиками – сторонниками теории относительности. Кроме того, по мнению “авторитетных” учёных все перечисленные изменения параметров тела якобы согласуются с экспериментальными данными. Однако объяснить физическую сущность явлений, описанных в мысленных опытах, никто не сумел, в том числе и создатель теории относительности. Несмотря на это, в популярной литературе до сих пор преподносятся релятивистские эффекты, а также удивительные предположения и парадоксы, вытекающие из них, вызывающие у одних читателей чувство удивлённого восхищения, а у других – сомнения и недоумённые вопросы. Читателям не понятны релятивистские эффекты, связанные с изменением массы тела, его размеров и с “ходом времени”. Непонятно, каким образом наблюдатель убеждается, что происходят именно такие изменения, и каковы их причины. В части I уже подробно объяснялось, что же на самом деле происходит в ситуации, описываемой с помощью преобразований Лоренца.

    Возникает также законный вопрос о роли инерциальных систем отсчёта в этих мысленных опытах. Некоторые читатели резонно указывают, что в качестве основного признака инерциальности систем отсчёта принято постоянство скорости их относительного движения. Однако такой признак инерциальности не является правомерным. В действительности физический признак инерциальности систем координат заключается в том, что тела, связанные с ними в состоянии покоя (а лучше сказать "бездействия"), то есть в таком состоянии, когда на них не действуют никакие силы. Что касается их относительного движения, то это не имеет принципиального значения.

    Сторонники теории относительности считают, что имеются экспериментальные доказательства того, что масса увеличивается с возрастанием скорости её движения. При этом ссылаются на опыты, проведённые в ускорителях элементарных частиц.

    Однако такие ссылки неправомерны. Наблюдаемые в этих установках эффекты имеют совершенно другую природу, и нет никакой аналогии между мысленным опытом и экспериментами в ускорителях. Анализ показал, что при разгоне элементарных частиц в ускорителях меняются не их массы, а силы взаимодействия между зарядом и электрическим полем, которое её разгоняет. Чем ближе скорость частицы к скорости электрического поля ускорителя (равной скорости света), тем меньше сила, действующая на частицу. Поэтому и возникает физический эффект: разогнать частицу быстрее света невозможно.

    Подобное явление аналогично эффекту, возникающему при движении парусной лодки под действием ветра. Сила давления ветра на парус зависит от относительной скорости между воздушным потоком и парусом. Чем быстрее будет двигаться лодка, тем меньше будет давление ветра на парус. Ведь лодка не сможет плыть быстрее ветра, и это происходит не за счёт изменения массы лодки, а вследствие изменения сил взаимодействия между потоком ветра и парусом. Такое изменение сил взаимодействия в относительном движении тел и физических полей встречается в природе повсеместно.

    Теперь давайте разберёмся в следующем вопросе: сжимается ли тело от увеличения скорости его движения? С одной стороны, на тело не действуют никакие силы, и поэтому никакого механического сжатия тела в мысленном опыте не должно быть. С другой стороны, если проанализировать характер распространения световых сигналов в относительном движении, то при наблюдении движущегося тела можно обнаружить искажение его размеров. Чтобы объяснить суть искажений видимых образов в относительном движении, рассмотрим рис. 2.1.2.

Рис. 2.1.2. Искажение видимых размеров в относительном движении

    Когда мы наблюдаем предмет, который быстро движется относительно нас, то луч света, идущий от него, несколько отклоняется: он поворачивается в направлении результирующего вектора, который получается от сложения вектора скорости света и вектора скорости относительного движения. Вследствие этого эффекта, который называется аберрацией, видимые размеры тела меняются.

    А как же с изменением “хода времени”? Откуда нам известно, как изменяется “ход времени” у тела, материальную сущность которого мы не знаем? В мысленном опыте ничего не говорятся о природе “хода времени” у тела, связанного со второй системой координат. Обычное тело не генерирует сигналы времени. Однако, если бы с телом был связан специальный генератор частот, то наблюдатель, принимающий эти сигналы, мог бы обнаружить изменение частот принимаемого сигнала, которое зависит от относительной скорости движения между наблюдателем и телом.

    Подобный эффект давно известен. На многих движущихся технических устройствах (самолётах, ракетах, подводных лодках и др.) применяются так называемые доплеровские измерители относительной скорости, способные определять её величину по воспринимаемым сигналам. Если тела не излучают, то применяется активная радиолокация: генераторы от наблюдателя посылают в сторону тела сигналы с заданной частотой, а отражённые от него сигналы принимаются опять наблюдателем. По ним определяется доплеровский сдвиг частот, а затем величина относительной скорости пеленгуемого тела.

    Таким образом, если бы в мысленном опыте наблюдатель мог получать информацию от тела в виде световых (радио) сигналов, то эффекты изменения “хода времени” и размеров тела можно было бы объяснить следствием искажения световых сигналов в относительном движении. В мысленном опыте наблюдатель как будто воспринимает такие сигналы, но не учитывает доплеровских искажений, и ошибочно полагает, что изменение “хода времени” происходит непосредственно у наблюдаемого тела.

    Из рассмотренного следует, что трактовка результатов мысленного эксперимента не соответствует физическим процессам, возникающим при относительном движении тел с большими скоростями. Поэтому расчётные формулы, используемые в теории относительности, характеризуют не реальные явления природы, а, в лучшем случае, искажения сигналов воспринимаемых наблюдателем в относительном движении. По своей сути такие релятивистские эффекты СТО следует трактовать, как теорию искажения сигналов в относительном движении. Что касается якобы изменения массы частиц, разгоняемых в синхрофазотронах, то исследователи, утверждающие это, просто не сумели раскрыть сути этого явления.

    Когда проблема сложная, многообразная и не ясен путь и способ её решения, человек обращается к физическим опытам и экспериментам. Так, практически пробуя и ошибаясь, он ищет ответы на поставленные вопросы. Полезность опытов бесспорна, и наука считает их основным доказательством правильности или истинности идей или теорий. Сложился некий миф, что в любом противоречивом споре главным судьёй может быть эксперимент. При этом забывают о том, что эксперименты тоже противоречивы, иногда и ошибочны, что авторы опытов могут делать фокусы и чудеса, а трактовка результатов не всегда объективная, а подчас и односторонняя.

    Даже такой известный случай с падающим на голову Ньютона яблоком, послужившим толчком к созданию теории всемирного тяготения, можно было трактовать и так: был сильный ветер, сорвавший яблоко; червь подточил ветку: яблоко подгнило; кто-то подшутил, бросив яблоко в голову гениального учёного, и т.д. И результаты истории с яблоком можно трактовать по-разному: яблоки засоряют сад; хозяин не убирает вовремя урожай; экспериментатор был пьян и подставил глупую голову под яблоко, а гениальная гипотеза родилась в результате сотрясения мозга и т.п. Все мы люди, соблюдающие свои интересы, и это надо учитывать при анализе опытов, даже физических, и особенно со светом.

    Именно в этих опытах¹ сомкнулись противоречивые идеи и точки зрения, а борьба за них велась “до конца” и без компромиссов. Однако, если отбросить “идейную” сторону, то многие опыты со светом оказались весьма полезными при решении практических задач и нашли себе применение в науке и технике. Примером такого использования служит знаменитый опыт Майкельсона, с помощью которого пытались доказать существование эфира. Как известно, гипотеза об эфире оказалась ошибочной, но сам опыт с интерференцией света был использован для создания эталонов длины (световой эталонный метр), который служит людям до сих пор.

    Перед тем как рассматривать особенности построения опытов и методик их проведения, отметим принципиальные подходы при решении физических проблем изучения природы света. Для этого попытаемся провести критический анализ опытов со светом с единых позиций, основанных на представлениях о свете как потоке материальных частиц (фотонов), движение которого подчиняется классическому закону сложения скоростей. При этом предполагается, что физические свойства света не противоречат известным законам механики и физики (сохранение количества движений и энергий, сохранение количества вещества и др.).

    Таким образом, эффект интерференции света, наблюдаемый в опытах со светом, будем считать результатом относительного движения и взаимодействия световых потоков с элементами конструкции установок (зеркал, световодов и т.п.), подвижными прозрачными телами (вода, стекло, воздух и т.п.) и внутренней средой в них (воздух, вакуум). Особое внимание уделим оценке приращении скорости света за счёт увлечения движущимися телами, а также нарастанию смещения интерферирующих световых потоков при прохождении воздушных (или вакуумных) участков установок. Движение частиц света – фотонов в установках будем рассматривать как корпускулярное, а интерференцию – как волновой процесс. Оптические характеристики прозрачных подвижных тех и элементов конструкций установок (зеркал, световодов и т.п.) полагаем стабильными, а инструментальные погрешности измерений в дальнейшем не учитываем.

    Ещё более убедительным подтверждением того, что в воздушных участках установки происходит накопление эффекта интерференции световых лучей, является опыт Кантора. Он вместо длинных труб с движущейся водой применил тонкие движущиеся стёкла Д . Свет от источника И проходит через коллиматор К и расщепляется в полупрозрачном зеркале З₁ на два луча (см. рис. 2.1.5). Первый луч от зеркала З₁ проходит сквозь стеклянное подвижное окно Д₁, а затем, последовательно отразившись от зеркал З₄ и З₃,– сквозь подвижное стеклянное окно Д₂, после чего при помощи зеркала З₂ направляется сквозь стекло З₁ в интерферометр Н. Второй луч света, отражаясь от полупрозрачного зеркала З₁ к зеркалу З₂, проходит тот же путь в противоположном направлении.

    Параметры установки: толщина стеклянных пластинок в окошках Д_i l₃=0,0127 см; диаметр диска, на котором установлены окошки (по их центру), 2r=24,5 см; угловая скорость диска ω=61 об/с, чему соответствует тангенциальная скорость движения окошек v=46,9 м/с (отношение v/с=1,56·10^–7). Длины участков между зеркалами l₁=24,5 см; l₂=l₇=75,5 см; l₈=10 см; l₄+l₅+l₆=64 см.

    Подвижные стёкла увлекают свет и придают ему некоторую дополнительную скорость, но основной эффект интерференционного смещения лучей происходит на воздушных участках установки. Относительная величина разности хода лучей Δx/λ на выходе установки определяется по формуле (1.6), в которой следует учесть обозначения, принятые на рис. 2.1.5.

Рис. 2.1.3. Схема опыта Кантора

    Выполняя соответствующие расчёты по формуле (1.6) для указанных выше параметров установки в опыте Кантора, получим: для λ=5·10^-5 см; v/с=1,56·10^–7; Δx/λ=0,55, что полностью согласуется с результатами наблюдений.

    В этом опыте обнаружена зависимость интерференции света от угловой скорости вращения установки (рис. 2.1.6,а). В этой установке световой луч, излучаемый монохроматическим источником света И, разделяется на два луча в результате отражения и преломления полупрозрачным зеркалом З₁. Образовавшиеся два луча, отражаясь от зеркал З₂, З₃ и З₄, пробегают стороны квадрата в противоположных друг другу управлениях. После этого они интерферируют в фотоприёмнике, а картина интерференции волн воспроизводится на экране Э. При вращении основания луч света распространяется в системе зеркал, которые движутся относительно оси вращения с окружными скоростями (рис. 2.1.6,б) v_i=ωR=ωr/cos 45°, где R – расстояние от поверхности зеркал до оси вращения; r – длина луча между двумя соседними зеркалами при отсутствии вращения. Составляющие окружной скорости на направления падающего и отражённого лучей оказывают различный интерференционный эффект. Так, например, на участке 1–2 составляющие скорости, совпадающие с направлением луча, v_1a и v_2b никакого влияния на интерференцию не оказывают. Поперечные к лучу составляющие скорости v_1b и v_2a, вызванные вращением платформы, оказывают влияние на интерференцию, смещая зеркало З₂ поперёк луча 1-2. Пока луч проходит свой путь за время Δt=r/c, он встретит уже смещённое зеркало З₂' в точке 2' (рис. 2.1.6,в), и путь луча c₁₁1-2' будет короче пути 1-2, что вызовет эффект интерференции.

Рис. 2.1.6. Схема опыта Саньяка-Харреса: а – интерферометр на вращающейся установке; б – схема возникновения эффекта интерференции; в – схема изменения длины луча света.

Таким образом, длина свободного пробега фотона сокращается на величину Δr₁=-rωΔt, а Δt=r/c (Δr₁<<r). В результате этого скорость света относительно зеркала З₁ возрастёт на величину Δr₁/Δt=ωt, то есть скорость света относительно зеркала З₂ будет равна c₁₂=c₁₁+ωr. На участках между зеркалами З₂–З₃ и З₃–З₄ длина свободно пробега уменьшится соответственно на Δr₂ и Δr₃, где Δr₂=Δr₃=Δr₁.

    При прохождении света от зеркала З₄ к полупрозрачному зеркалу З₁ (участок 1-4) длина свободного пробега фотонов, наоборот, увеличится на величину Δr₄=-Δr₁.

    Аналогичные явления происходят и при прохождении второго луча c_2j. Время прохождения первым и вторым лучами света расстояний от зеркала З₁ по контуру до фотоприёмника Э будут определяться соответственно:

    Учитывая, что длины участков r₁=r₂=r₃=r₄=r, получим относительную величину интерференционного смещения лучей Δx по сравнению с длиной волны света λ:

Δx/λ=c(t₂–t₁)/λ=2ωr(2r+l)/cλ.                     (1.8)

    Формула (1.8) отличается от известных трактовок этого опыта² тем, что в ней учитывается влияние интерференционного смещения лучей света на участке от полупрозрачного зеркала до фотоприёмника.

    Опыт Саньяка-Харреса нашёл широкое практическое применение в виде лазерных гироскопов и датчиков абсолютной угловой скорости, отличающихся высокой чувствительностью и точностью измерений.

    Заметим, что рассмотренные физические процессы в этом опыте полностью объясняются особенностями увлечения света движущимися телами с учётом эффектов интерференции на воздушных участках установок.

    В этом опыте источник И монохроматического света посылает луч на полупрозрачное зеркало З₁, а после отражения и преломления два луча, направленные друг против друга, отражаются от зеркал З₂, З₃, З₄ и попадают в фотоприёмник для регистрации эффекта интерференции. Одно из зеркал З₃ вращается с угловой скоростью Ω (рис. 2.1.7,а) с помощью электродвигателя G (плоскость зеркала при этом не должна колебаться или отклоняться от заданного положения). Точка А падения и отражения лучей света (прямого н обратного) на зеркале З₃ находится на расстоянии x от оси вращения (рис. 2.1.7,б), вследствие чего в этой точке касания зеркала с лучами света зеркальная поверхность как бы скользит по ним с окружной скоростью v=Ωx. При взаимодействии луча света со скользящим зеркалом он увлекается и в момент отражения приобретает дополнительную скорость xvcosα (если не учитывать эффекта аберрации света, то α=45°). Знак “плюс” соответствует лучу, скорость света которого совпадает с направлением движения поверхности зеркала, знак “минус” – против этого движения.

Рис. 2.1.7. Схема опыта со скользящим зеркалом: a – схема установки; б – отражение лучей света от вращающегося зеркала

    Время прохождения лучами света расстояний от полупрозрачного зеркала З₁ до фотоприёмника равно:

    Относительное интерференционное смещение лучей света

    В рассмотренном опыте эффект увлечении света скользящим зеркалом может достигать значительных величин за счёт изменения скорости в широких пределах (от единиц до сотен метров в секунду). Величину скорости v можно изменять за счёт изменения угловой скорости Ω или радиуса вращения x.

    Опыт со скользящим зеркалом нашёл практическое применение для измерения скоростей движения тел и материальных потоков в производственных технологических процессах.

    В рассмотренных выше опытах выходные лучи света, идущие от полупрозрачного зеркала до экрана интерферометра (там расположен наблюдатель или фотоэлемент измерительного устройства), обычно для дополнительных целей не используется. Назовём этот луч – синтезированным. При анализе его свойств было обнаружено следующее. Этот луч содержит два световых потока, идущих параллельно друг другу с разными скоростями c₁=c+v, c₂=c–v, где v – скорость приобретённая светом в соответствующей установке (рис. 2.1.8).

    Если проанализировать характер изменения эффекта интерференции по длине синтезированного луча, то можно обнаружить следующее: каждая составляющая этого луча покидает полупрозрачное зеркало с каким-то смещением по фазе (интерференционный сдвиг Δλ); затем из-за разности скоростей c₁–c₂=2v световые волны этих лучей начинают смещаться друг относительно друга, и на некотором расстоянии от полупрозрачного зеркала (точка A₁) относительное смещение волн становится равным нулю и наступает полная интерференция, т.е. свет в этом месте становится невидимым.

    Примем эту точку за начало отсчёта и продолжим изучение характера изменения интерференции синтезированного луча. Двигаясь далее вдоль него, замечаем, что интерференция вновь нарастает до максимума, а затем опять уменьшается до нуля при сдвиге лучей на величину λ относительно друг друга. За время T, когда этот процесс происходит, лучи света перемещаются из точки A₁ в точку A₂ на расстояние S₀=Tc, где T=λ/2v. Таким образом, вдоль луча через равные промежутки S₀=λc/2v имеются точки A₁, A₂, … , A_n c полной интерференцией Δλ/λ=1, которые могут служить мерой измерения расстояний. Величина S₀ может иметь вполне доступные размеры. Например, при λ=5·10^–5 см, v=100 м/с, S₀=75 см.

Рис. 2.1.8. Схема опыта с синтезированным лучом света

    Это свойство синтезированного луча может выполнять функцию “метра” со своими единицами длины S₀, которые можно подбирать по назначению, меняя λ и v, что раскрывает новые возможности использования интерферометров. Кроме того, данный опыт позволяет решать фундаментальную задачу – измерение скорости распространения света с=2vS₀/λ, где параметры v, S₀, λ определяются экспериментально с необходимой точностью.

    Синтезированный луч может формироваться и из нескольких потоков света с различными скоростями распространения, при этом области его использования значительно расширяются.

    Из проведённого анализа опытов можно сделать следующие выводы:

    1. Распространение света в вакууме или в физической среде подчиняется классическому закону сложения скоростей, который наблюдается при относительном движении тел.

    2. Расчётные формулы согласуются с экспериментальными данными и могут служить основой при инженерных расчётах параметров лабораторных установок.

    3. Выявлены новые информационные возможности лабораторных установок-интерферометров, позволяющие использовать их для измерения параметров относительного движения тел (расстояний между телами, скоростей поступательного движения, угловых скоростей вращения и др.), а также определять скорость распространения света (в вакууме или в физической среде), длины волн света и другие характеристики световых потоков.

    Лабораторные установки-интерферометры можно рассматривать как экспериментальные модели потоков корпускулярно-волновых частиц (фотонов и т.п.), позволяющих разгонять частицы до скорости света. На входе установки может быть скорость потока c₁=c±v₁, а на выходе c₂=c±v₂, где v₂ – добавленная скорость за счёт воздействия на поток частиц движущихся тел (поток воды в опыте Физо, подвижные стёкла – в опыте Кантора, скользящее зеркало и т.п.). Подобные ускоряющие свойства лабораторных установок могут быть учтены при разработке прямоточных двигателей звездолёта, у которых реактивная сила тяги может быть получена за счёт ускорения потоков, захваченных из космической среды.

    Результаты анализа опытов со светом расширяют и углубляют наши знания об особенностях его распространения в различных физических средах и раскрывают новые возможности использования фотонной техники.

    Возвращаясь к космонавтике, можно сделать принципиальное заключение: для движения летательного аппарата в космическом пространстве нет никаких ограничений по скорости движения. Следовательно, полёт звездолёта быстрее света – вполне реальный и осуществимый физический процесс. Реализация такого процесса зависит от степени совершенства конструкции звездолёта и особенно его энергетических установок и маршевых двигателей.

    Поскольку люди убедились, что источником сил являются сами материальные тела, то возникает вопрос: где и как создаются в материи силы, обладающие различными физическими свойствами?

    Человечество всё время стремится добраться до первоисточников – действительно первичных частиц, из которых и строятся все материальные объекты Мироздания. И здесь возникают вопросы: если при более тщательном и глубоком изучении известных нам "элементарных" частиц удаётся их расчленить на составные ещё более "элементарные" микрочастицы, то есть ли предел такому делению частиц материи? Какие существуют физические признаки того, что "элементарная" частица не является сложным образованием чего-то ещё более "элементарного"? Каковы должны быть силовые свойства этих самых "элементарных" частиц?

    Заметим, что подобные вопросы возникали уже давно и философы весьма удачно и глубокомысленно отвечали: "Электрон так же неисчерпаем, как и атом". Попробуем разобраться в этих вопросах.

    Исследования элементарных частиц показывают, что они материальны, обладают различными (противоположными по своим свойствам) электрическими зарядами (положительными и отрицательными) или могут быть электрически нейтральными, непрерывно движутся и имеют определённые запасы энергии. Особенно важен тот факт, что "элементарные" частицы обладают корпускулярными и волновыми свойствами, а некоторые частицы (например, электроны) при торможении излучают другие частицы – фотоны. Изучение фотона показало, что и эта частица, которая якобы не должна иметь "массы покоя" (по теории относительности), тоже обладает корпускулярно-волновым "дуализмом" и проявляет разнообразные силовые свойства.

    Предлагаемая нами тороидальная модель фотона, о которой пойдёт речь ниже, конкретизирует содержание упомянутого "дуализма". Если бы "элементарные" частицы обладали только корпускулярными свойствами, то они должны были двигаться по прямым (или искривлённым) траекториям без гармонических (волновых) колебаний. "Волновой" признак свидетельствует о том, что "элементарная" частица на самом деле состоит из многих ещё более мелких частиц (компонентов), которые образуют благодаря силовому взаимодействию между этими компонентами сложную материальную систему.

    Следовательно, корпускулярно-волновые свойства "элементарных" частиц дают основания для следующих выводов:

    1) известные "элементарные" частицы не являются "простейшими" или "первичными" и представляют собой сложные материальные системы;

    2) эти материальные системы содержат микрочастицы "первоматерии" (на данном уровне знаний их можно принять за первичные частицы Мироздания);

    3) между этими первичными частицами существует силовое взаимодействие благодаря тому, что они обладают элементарными электрическими зарядами противоположных знаков;

    4) различные сочетания из первичных частиц позволяют воссоздать все известные виды "элементарных" частиц, из которых состоят атомы и молекулы веществ, заполняющих объёмы тел, движущихся в космическом пространстве.

    Логика исследования приводит к заключению, что для образования бесконечно большого многообразия материальных тел Мироздания достаточно иметь, по крайней мере, два вида самых первичных частиц (назовём их первочастицами). Эти первочастицы должны обладать минимальной совокупностью физических свойств:

    - обладать чрезвычайно малой массой (тысячные доли от массы электрона);

    - иметь электрические первичные заряды противоположного знака для дистанционного силового взаимодействия (разноимённые заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются);

    - обладать силой инерции, обеспечивающей динамическое равновесие сил электрических зарядов и создающей условия для существования систем взаимосвязанных материальных частиц;

    - свободно двигаться в пространстве, которое не оказывает никаких помех или физических воздействий на первичные частицы.

    Поскольку эти первочастицы Мироздания непрерывно движутся, а силовое взаимодействие обладает относительными свойствами (силы взаимодействия меняются в зависимости от расстояния между первочастицами и от скорости относительного движения, соизмеряемой со скоростью распространения силового поля), это является основой для возникновения всех известных видов тел и физических сил электромагнитных, гравитационных и др.), которые свойственны телам живой и неживой природы во всех частях Вселенной.

    Спрашивается, достаточно ли иметь только два вида первочастиц, чтобы сформировать всё многообразие видов материальных тел и их физических свойств, существующих в мире? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к примерам, взятым из жизни.

    Современные математические машины используют двоичный код информации (1 бит состоит из двух символов – 0; 1 или "да" и "нет"), и это позволяет решать неограниченный объём математических операций и сложных логических задач.

    Весь многообразный мир живых организмов успешно развивается на основе первичного белкового вещества, появившегося в процессе изменения физического состояния планеты Земля. В живой природе тоже используется двоичный код: мужские и женские особи воссоздают (размножают) всё необозримое многообразие видов животных – млекопитающих, рыб, птиц, насекомых и др.

    При поиске первочастиц можно обнаружить и глубинный источник сил созданных физическими полями этих частиц. Исследования³ показали, что первоосновой физических полей – электростатического, магнитного и гравитационного являются электрические заряды материальных частиц. Если частицы или тела, из которых они состоят, обладают электрическими зарядами (положительными или отрицательными), то при подвижном относительном положении тел между ними возникнет силовое взаимодействие посредством электростатических полей (силы определяются по закону Кулона).

    При движении тел относительно друг друга электростатическое поле изменяет свои свойства (скоростной эффект) и превращается в магнитное поле. Аналогичный скоростной эффект возникает и при относительном движении частиц атомов (орбитальных электронов и ядер). Несмотря на то, что тела электрически нейтральны (сумма зарядов частиц с противоположными знаками равна нулю), внутри тел вследствие скоростного эффекта возникает избыточное поле, обладающее свойствами гравитационного тяготения.

    Таким образом, имеющиеся данные о свойствах частиц материи позволяют сделать вывод о том, что в основе Мироздания лежит минимальное число элементарных частиц (может быть – всего два вида первочастиц) с противоположными элементарными электрическими зарядами. Динамическое взаимодействие этих первочастиц и их относительное движение образуют всю совокупность физических полей, сил инерции и упругости. Эти поля обеспечивают целостность материальных образований (атомов, молекул, кристаллов, галактик) и их силовое взаимодействие.

    Учёные во многих странах мира ведут интенсивные поиски таких первочастиц и можно надеяться, что при создания звездолёта его энергетические и информационные системы будут использовать достижения науки в этой области знаний.

1 См.: Франкфурт У.И., Френк А.М. Оптика движущихся тел. – М.: Наука, 1972; Творцы физической оптики. Сборник статей. – М.: Наука, 1973; Калитеевский Н.И. Волновая оптика. – М.: Наука, 1971.

2 См. Селезнёв В.П. Навигационные устройства. – М.: Машиностроение, 1974.

3 См.: Томилин Е.Ф. Уточнения взаимодействия материальных точек. Реферативный сборник НИОКР, серия МФ, №5, Д 06272, 1985.

Дата установки: 20.05.2011
Последнее обновление: 28.05.2011
[вернуться к содержанию сайта]

W