Что такое свет?

Ньютон отдавал предпочтение корпускулярной теории света,

считая его потоком частиц....Гюйгенс полагал, что световое

возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира

А.М.Бонч-Бруевич. Оптика.

Оптика – одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность рас,пространения света была известна не менее, чем за 5 тысяч лет до нашей эры и использовалась в древнем Египте при проведении строительных работ. Над существом оптических явлений размышляли Аристотель, Платон, Евклид и Птолемей. Существенный вклад в развитие оптики внес арабский ученый ХI столетия Ибн аль-Хайсам. Точные законы преломления установлены в 1620 г. В.Спеллиусом и Р.Декартом, дифракция и интерференция света открыты итальянцем Ф.Гримальди в 1656 г., двойное лучепреломление открыто датчанином Э.Бартлинусом в 1669 г. Дальнейшее развитие оптики связано с именами И.Ньютона, Р.Гука и Х.Гюйгенса.

И.Ньютон допускал возможность волновой интерпретации световых явлений, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции, считая свет потоком частиц, действующих на эфир и вызывающих в нем колебания. Поляризация по Ньютону – «изначальное» свойство света, объясняемое определенной ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу. Х.Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гринальди и Гука, исходил из аналогий между акустическими и оптическими явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира. Работы Т.Юнга, О.Френеля и Д.Араго в ХIХ столетии определили победу волновой теории. Дж.К.Максвеллом показано, что свет представляет собой не упругие, а электромагнитные волны. П.Пруде, Г.Гельмгольцем и Х.Лоренцем при построении электронной теории вещества были объединены идеи об осцилляторах и электромагнитная теория света. А.Г.Столетовым в 1886-1890 гг. был обнаружен фотоэффект. П.К.Лебедевым в 1899 г. открыто давление света.

Дальнейшее развитие оптики уже в ХХ столетии тесно связано с квантовой механикой и квантовой электродинамикой и знаменуется такими крупнейшими достижениями, как создание квантовых генераторов света – лазеров.

Такова краткая история оптики, науки о свете.

Несмотря на высокие достижения и широкое практическое использование, подтвердившее правильность основных положений теоретической оптики, некоторые вопросы и недоумения все же возникают.

Прежде всего, что такое фотон? Как он возникает и как устроен? Ведь раз он имеет длину волны, то считать его безразмерным, точечным уже нельзя. Какова же его структура? Каким образом он обладает спином – моментом количества вращательного движения, да еще почему спин может иметь два значения +1 и –1? Почему при всем том фотон не обладает зарядом? Что за процесс происходит при отражении фотона от металлического зеркала? Обычно считается, что это – переизлучение. Однако белый свет состоит из фотонов различной длины волны, в общем весьма широкий спектр. Как может случиться, что отраженный свет в точности повторяет этот спектр? Значит ли это, что каждый атом отражающего зеркала, поглотив фотон, затем испускает его с точно той же частотой, с какой поглотил? Чем же это обеспечено? Каким образом в монохроматическом источнике света все фотоны не только имеют одинаковую частоту, (это можно было бы легко объяснить тем, что атомы имеют одинаковые частоты излучений), но также и фазу? Ведь иначе невозможно было бы получить интерференционную картину после разделения луча и затем его сложения. Чем обеспечивается механизм синфазности излучения атомов при рождении фотонов? И вообще, каков механизм оптических явлений? На подобные вопросы современная теоретическая оптика не отвечает, что означает непонимание самой сути оптических процессов. Однако с позиции эфиродинамических представлений на них можно попытаться дать ответ, так как эфиродинамика позволяет рассматривать модели всех без исключения оптических явлений.

Существуют и иные недоразумения, носящие вполне прикладной характер.

С легкой руки Максвелла считается, что фотон – это вид электромагнитного излучения, отличающийся только высокой частотой. Этот вывод Максвелл сделал на основании того, что им было установлено, что электромагнитное излучение и свет распространяются с одинаковой скоростью. Достаточно ли такого сопоставления, чтобы сделать такой категорический вывод? Похоже, что не достаточно.

Представим себе такую ситуацию. По дорожке, взявшись за руки, идут с одной и той же скоростью мальчик и девочка. На том основании, что они идут с одинаковой скоростью делается вывод, что мальчик и девочка – это одно и то же. Верен ли будет такой вывод? Вряд ли. Совпадение одного признака не есть гарантия тождества. То же и с фотоном. Оказывается, существует явление, в котором электромагнитное излучение и свет ведут себя качественно по-разному. Речь идет о поглощении электромагнитной волны и света в морской воде.

Известно, что в соответствии с уравнениями Максвелла плоская электромагнитная волна, упав на поверхность моря, далее затухает по закону

_____

Н = Н ₀ е ^{–h√ μσ ω /2},

Здесь Н ₀ и H – напряженности электромагнитной волны соответственно на поверхности моря и на глубине h, μ и σ – соответственно магнитная проницаемость и проводимость среды – морской воды.

Из приведенного выражения следует, что напряженность поля убывает на одной и той же глубине тем больше, чем выше частота, т.е.

_____ ___

h ₁/ h ₂ = √ ω ₂/ ω ₁ = √ f ₂/ f ₁,

где f – частота излучения.

Экспериментально установлено, что в Черном море электромагнитная волна частотой в 10⁶ Гц (1 МГц) полностью затухает на глубине в 3 м, а в океане вследствие большей солености и соответственно проводимости – на глубине в 1 м.

Поскольку частота света составляет порядка 10¹⁴ Гц, то свет должен в Черном море затухать полностью на глубине в 0,3 мм, а в океане на глубине в 0,1 мм. А свет об этом ничего не знает и проходит на глубины более, чем в 100 м. Несоответствие с расчетом составляет 10⁶, т. е. в миллион раз! Но это никого не смущает, и продолжаются попытки как-нибудь приспособить уравнения Максвелла к световым явлениям, к которым они никакого отношения вообще не имеют.

Для того чтобы разрешить все эти недоразумения, нужно понять, как же создается и как устроен элемент света – фотон.

Как же с позиций эфиродинамики осуществляется создание фотона? Происходит это, видимо, так (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Образование фотона возбужденной электронной оболочкой атома: 1 – возбужденный атом; 2 – индуцированная струйка эфира; 3 – поток эфира между вихрями.

Возбужденный атом, т. е. атом, у которого присоединенный вихрь эфира увеличен в размерах и часть его колеблется около некоторого равновесного положения, создает в окружающем эфире дополнительные струйки эфира. Эти струйки вынуждены замыкаться в кольца, которые тем же выступом присоединенного вихря отодвигаются в сторону. При обратном ходе выступ создает вторую струйку, которая также образует вихрь. Таким образом, колебания выступа присоединенного вихря атома – электронной оболочки – создают в окружающем атом пространстве шахматную цепочку вихрей.

Эти вихри, в которых сразу же устанавливается винтовое движение эфира из-за того, что породивший их выступ атома тоже имел винтовой поток, формируются в единое образование линейных винтовых вихрей, расположенных в шахматном порядке друг относительно друга (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Структура фотона: продольное сечение (а), поперечное сечение при спине –1 (б), поперечное сечение при спине +1 (в)

Получившееся образование, напоминает «дорожку Кармана» (рис. 13.3), хорошо известную в гидродинамике.

а) б)

в)

г)

д)

Рис. 13.3. Вихревая дорожка Кармана: а – структура потоков; б – вихри Кармана в воде. Камера движется вместе с вихрями; в – дорожка Кармана за круговым цилиндром при Re = 105; в левой части видна начальная стадия образования дорожки; г – моделирование дорожки в воздушной среде; д – структура потоков вихревой дорожки на конечной стадии существования

Однако есть и разница: середина каждого вихря фотона сильно сжата и в ней образован керн – уплотненная сердцевина.

Образованная система линейных винтовых вихрей – фотон – не может покоиться как и любая система газовых вихрей. Он немедленно будет саморазгоняться в направлении выхода потока из его центра. Поскольку по его торцу поток эфира перпендикулярен направлению движения, скорость движения системы будет определяться скоростью «второго звука» для среды – скоростью передачи поперечного возмущения (подобное явление наблюдается в жидком гелии).

Легко видеть, что разработанная эфиродинамическая модель фотона удовлетворяет всем данным, известным о фотоне:

– эфиродинамический фотон обладает массой, так как каждый его вихрь включает в себя некоторую массу эфира, которая сосредоточена, в основном, в керне, следовательно, при отражении он будет оказывать давление на препятствие, это определяет его свойства как частицы;

– фотон обладает определенной длиной волны – расстоянием между центрами однонаправленных линейных вихрей одного ряда; это определяет его свойства как волны;

– фотон обладает поляризацией, т. к. состоит из линейных вихрей;

– фотон обладает одним из двух вариантов значений спина (+1 или –1, поскольку поток эфира, если смотреть на фотон

– если смотреть на фотон спереди, то видно, что поток эфира перемещается из одного ряда вихрей в другой по часовой или, наоборот, против часовой стрелке;

– фотон не имеет заряда, так как весь эфирный поток в нем замкнут, вовне не выходит практически ничего;

– эфиродинамический фотон движется с постоянной скоро-стью, определяемой параметрами среды (это, кстати, значит, что при других параметрах среды скорость фотона будет иной);

– фотон движется прямолинейно, если среда однородна, и не прямолинейно, если среда неоднородна.

Наконец, фотоны не взаимодействуют друг с другом поскольку размеры кернов малы, вероятность того, что соударятся керны двух фотонов исчезающе мала, кроме того, керны жестко связаны со всем остальным телом своего фотона, а само тело вихрей фотона не уплотнено, и различные фотоны свободно проходят друг сквозь друга наподобие того, как это происходит с радиоволнами.

Так что все вполне соответствует известным эксперименталь-ным фактам и находит вполне понятное и простое объяснение. На основе изложенной модели могут быть рассмотрены и механизмы основных оптических явлений.

Почему фотоны проникают в морскую воду не так как электромагнитная волна? Потому что они имеют иную структуру. В электромагнитной волне каждый полупериод существует сам по себе, поскольку движения эфира в каждом полупериоде направлены по-разному. В фотоне же потоки эфира переходят из одного ряда вихрей в другой ряд, нигде не прерываясь. Весь фотон – единая энергетическая структура. По той же причине в воде никто не стреляет короткими пулями, а либо стрелами, либо длинными пулями типа гвоздей. Так же в бронебойном снаряде важна не только твердая пленка на носу снаряда, но и вся масса болванки. Фотон – не электромагнитная волна, вот что отсюда вытекает!

Помимо энергии, связанной в фотоне с соотношением Планка

Е = h ν,

где h – постоянная Планка, а ν – частота, энергия фотона – это энергия всех его вихрей, а их может быть в одном фотоне миллион и более. Фотон – структура, создаваемая многими атомами, а вовсе не одним, как полагают теоретики.

Но есть и еще один фактор. Основная энергия фотона содержится в керне – центральной части каждого вихря, сжатой внешним давлением эфира. Чем сильнее она сжата, тем больше в ней содержится энергии. Вот почему фотон проникает в воду в миллион раз дальше, чем простая электромагнитная волна!

Понимая структуру фотона, можно понять и природу оптических явлений.

Как, например, происходит отражение фотона от металличес-кого зеркала? Металл отличается от неметаллов тем, что на его поверхности появляются электроны, образуя так называемую «поверхность Ферми». Электроны сами по себе есть кольцевые винтовые вихри все того же эфира, однако менее плотные, чем протоны, но более плотные, чем фотон. Вихри фотона, наталкиваясь на поверхность металла, сталкиваются с «поверхностью Ферми». При этом на площадь поперечного сечения фотона приходится около ста миллионов электронов, каждый из которых имеет массу, примерно равную массе одного вихорька фотона. Поэтому ни о каком «перевозбуждении» атома не может идти и речи. Происходит просто удар фотона о препятствие и отражение его по всем правилам упругого удара. Однако с одной особенностью. Поскольку плотность фотона не достигает критической, в том числе и в керне, то упруго ударяются струйки эфира, образующие фотон. При этом каждый вихрь как бы выворачивается, в результате чего знак винтового движения в вихре меняется на противоположный. Однако и ряды вихрей меняются местами. Поэтому отраженный фотон продолжает двигаться, отражаясь в целом от поверхности по правилам упругого удара, но спин у него должен изменить знак на противоположный. Интересно, так ли это? Хорошо бы получить от кого-нибудь подтверждение или опровержение сказанного (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Изменение знака спина фотона при отражении от металлического зеркала

Простое объяснение получает дифракция. Если фотон продвигается вдоль непрозрачного тела, то вблизи тела градиент скорости эфира повышен, давление в нем уменьшено, поэтому, как только фотон достигает границы тела, он тут же начинает отклоняться в направлении тени (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Механизм дифракции фотонов

С интерференцией все тоже не очень сложно: вихри эфира обладают всеми векторными и волновыми свойствами, поэтому они могут и складываться, и вычитаться, как волны. А в монохроматическом источнике атомы синхронизируются и синфазируются через вихри образуемого ими фотона, которые они создают одновременно, трудясь совместно над каждым вихорьком фотона. Это происходит потому, что для синфазной работы энергии требуется меньше, поэтому, находясь в общих эфирных струях, атомы во время колебаний либо несколько ускоряют свои колебания либо несколько замедляют их, подстраиваясь под общий ритм.

Преломление легко объясняется, если учесть, что диэлектрическая проницаемость вакуума равна массовой плотности эфира в вакууме, а соответственно диэлектрическая проницаемость вещества есть плотность эфирных струй в теле диэлектрика (не путать с плотностью эфира самого тела). Это приводит к замедлению скорости фотона в диэлектрике и, как следствие, к преломлению света. В общем, так, как это описано во всех учебниках по оптике.

Аберрация света – изменение видимого положения светила на небосклоне, обусловленное конечностью скорости света и движением наблюдателя вследствие вращения Земли вокруг Солнца (годичная аберрация света) и перемещения Солнечной системы в пространстве (вековая аберрация света) - ранее была рассмотрена рядом авторов, исходящих из предположения о распространении света в неподвижном эфире. Полученные выражения вполне соответствуют результатам измерений. Так называемая релятивистская поправка, вытекающая из теории относительности, составляет всего 0,0005", т. е. меньше погре-шностей любых инструментальных средств, поэтому практиче-ски никогда не использовалась. Классическая теория аберрации вполне соответствует эфиродинамике и, в принципе, проста и понята. Но из эфиродинамики вытекает, что надо бы учесть дополнительно некоторые тонкие эффекты, связанные с изменением скорости эфирного ветра с высотой, а также связанные с особенностями распространения фотонов в эфире, поскольку силы сдувания фотонов эфирным ветром в пограничном слое околоземного эфира относительно невелики.

Таким образом, эфиродинамическая интерпретация позволяет более полно представить механизм физического содержания оптических явлений и даже сделать некоторые предсказания. Наверное, это тоже полезно.