Йохан Керн   Real Physik   Grosse Naturforscher   Deutsche Physik   Bibliothek  

Johann Kern, Stuttgart, jo_k@gmx.net

Знаменитый Ферма ошибался?
или
Сущность света - логике вопреки

При экспериментах с зеркальной прямоугольной призмой наблюдаются явления, которые впору сравнивать с колдовскими.

Эксперимент со светом, о котором дальше пойдёт речь, очень простой и его может проделать каждый. Но новые факты, обнаруживаемые при проведении этого эксперимента, опрокидывают многие наши представления о свете. После осознания смысла обнаруженных фактов, трудно решить, как кратко выразить то непредставимое, что открывает это явление. У света несколько кратчайших путей? Существует два вида света? Свет многолик?

Примерно в 1650 г. Ферма выдвинул принцип: свет идёт по кратчайшему пути. Этот принцип стал с тех пор общепризнанным. Разумеется, кратчайший путь только один. Но в оптике это утверждение принимает весьма своеобразную форму. Когда мы рассматриваем точку через линзу, то она строится в нашем глазу или же на экране посредством бесконечного числа лучей, проходящих через линзу и сходящихся снова в точку. Оптическая длина каждого из этих лучей (путей) считается равной другому. И хотя мы здесь имеем бесконечное число путей, никто не видит здесь противоречия с принципом Ферма. Не будем и мы искать противоречия в подобном.

Из-за несовершенства нашей оптики лучи от одной точки будут фокусироваться не в точку, а будут образовывать некий объект, который никак не назовёшь точкой. Кроме того, изображение белого точечного объекта может оказаться сильно окрашенным. Подобные искажения мы также не будем ставить в противоречие с принципом Ферма.

Эксперимент, о котором идёт речь, действительно демонстрирует 3 и даже 5 “кратчайших” путей. Имеется ввиду, что вместо одного изображения объекта мы получаем целых 3 или даже 5. Причём даже в том случае, когда исходный объект является монохроматическим. В эксперименте не применяются кривые зеркала или иная нелинейная оптика. Другими словами — свет в обычной линейной системе без кривых поверхностей может идти различными путями, не обязательно кратчайшим. Объект эксперимента — обычная трёхгранная призма. Задача опровергнуть принцип Ферма или другие принципы не ставилась. Но наблюдаемое нами говорит или о том, что принцип Ферма не является всеобщим, или же о том, что система, которую мы до сих пор считали линейной, на самом дле таковой не является.

Мы знаем, что в плоском зеркале можем увидеть только одно изображение предмета. Здесь же мы видим, в зависимости от яркости света, 3 или даже 5 изображений. Это если свет монохроматический. Если же предмет белый или излучает белый свет, то мы можем увидеть в зеркале одно белое и множество цветных его изображений, образующих совместно 2 или даже 4 радужных изображения. В известном смысле мы должны признать свет многоликим.

Если мы хотим хоть как-то объяснить наблюдаемое явление, то, похоже, должны признать, что существуют различные виды света, каждый из которых идёт по своему “кратчайшему пути”, у каждого из них свои “углы преломления света”.

Естественно, что такое поведение не может объяснить “общепризнанная” волновая теория света. И это при условии, что пока не упомянут ещё один факт, ещё более не укладывающийся в наше представление о свете, и тем более — в его волновую теорию. Но перейдём к описанию обнаруженных являний.

В статье [1] сообщается о том, что при зеркальном отражении в прямоугольной призме светлой полоски на тёмном фоне, видно изображение, практически идентичное разложению света с помощью дифракционной решётки. Наряду с белой полоской видны два (и даже четыре) боковых радужных изображения на некотором расстоянии от центральной белой полоски. Как объяснить их появление? Можно бы предположить, что внутри призмы происходят какие-то повторные внутренние отражения, за счёт чего появляются боковые радужные полоски. Действительность оказалась куда более неожиданной. Разве можно было предположить, что эти боковые радужные отражения можно перегородить до входа их в призму? Подобное предположение совершенно невероятно и противоречит всему, что мы знаем о свете. Разумеется, подобный факт мог бы только усложнить, а не упростить понимание явления. Только ввиду отсутствия под рукой приборов, при помощи которых можно было бы установить факт повторного внутреннего отражения лучей, идущих от основного белого изображения, был проведён, наконец, простейший, но, казалось, явно обречённый на неудачу эксперимент. Однако он оказался полным успехом.

Рис. 1. Взаимное расположение светящегося объекта 1, призмы 2, пластинки 3 и глаза.

Угол ВСА = углу АВС = 45°.

На рис. 1 показана схема проведения эксперимента. Объект 1 рассматривается глазом через зеркальную призму 2. Входные лучи от объекта 1 могут частично перегораживаться пластинкой 3, которая может перемещаться вдоль входной поверхности призмы.

Рис. 2. Примерный вид изображения, видимого глазом по рис. 1.

Через призму видно изображение, показанное на рис. 2. Это изображение, как указывалось в статье [1], почти идентично световому спектру, получаемого с помощью дифракционной решётки. Почему появляется такое изображение при взгляде через призму, совершенно непонятно. Интерес представляет ход лучей, ответственных за получение радужных полосок по обеим сторонам от основного белого изображения (FEHG). Как уже говорилось выше, предполагалось, что, возможно, эти радужные полоски появляются в результате каких-то дополнительных отражений внутри призмы. Оказалось же, что появление любой из этих радужных полосок можно предотвратить, если с помощью пластинки 3 (рис.1), или просто рукой, перекрыть часть входной поверхности призмы. Чтобы исчезла правая радуга, надо перекрыть левую часть входной поверхности, и наоборот. Можно перекрыть одновременно и основное белое изображение (FEHG), тогда будет видна только одна из радужных полосок.

Возможность подобных действий дополнительно иллюстрирует рис. 3, на котором показан примерный ход лучей, образующих вид, показанный на рис. 2.

Рис. 3. Схема опыта и примерный ход лучей.
1 — ярко освещённый или светящийся объект, 2 — призма, 3 — глаз,
4 — тёмная или чёрная поверхность, 5 - лучи основного белого изображения,
6 - лучи радужного изображения справа, 7 - лучи радужного изображения слева

Из сказанного следует, что радужные полоски хотя и образуются, возможно, за счёт отражения и преломления света призмой, но этот свет не имеет никакой связи с той частью света, которая образует основное белое изображение. Необычно здесь именно образование 3-х (или даже 5) изображений вместо одного.

Можно было бы подумать, что всё дело в том, что свет, образующий радужные полоски, входит в поверхность призмы под несколько иным углом, вследствие чего образуются условия для разложения света в цвета радуги. Но при повороте призмы вдоль её продольной оси радужные полоски даже и не помышляют поменяться ролями с основной белой полоской. Они не становятся белыми, а белая центральная полоска не становится радужной. От поворота призмы может меняться яркость радужных полосок, их ширина, они могут менять своё расстояние до центральной белой полоски, но никаких попыток обмена ролями с центральным белым изображением не наблюдается.

Можно ли в этой ситуации сделать иной вывод, чем следующий:

белое изображения образуется светом одного свойства, а радужные полоски светом иного свойства?

Не менее интересно и то, что монохроматический красный свет также устремляется к глазу по 3-м (или 5-и) различным путям, образуя при этом 3 (или 5) световых пятна [2]. Это говорит о том, что дело здесь вовсе не в различных углах преломления для лучей света с различной длиной волны.

А теперь про ещё один факт, ещё менее укладывающийся в наше представление о свете, упомянутый в начале статьи. Самым невероятным в этом опыте, пожалуй, является то, что когда линия наблюдения перемещается к торцам призмы (вследствие перемещения призмы вдоль продолнй оси), то радужные изображения исчезают. Причём, в зависимости от угла поворота вокруг центральной оси призмы, подобные исчезновения радужных изображений наблюдаются и вдали от торцов призмы. Как это можно объяснить, не прибегая к колдовской терминологии?

Мы всегда думаем аналогиями, и, наверное, не можем иначе. Возникновение волновой теории света также было вызвано нашим желанием увидеть в свете нечто знакомое, нечто аналогичное уже известным явлениям. Для тех, кто знаком с механикой, возникновение и исчезновение изображений может вызвать ассоциации с возникновением так называемых узлов на пластине или диске при их вынужденных колебаниях. В этом случае узел может соответствовать отсутствию радужных изображений. То есть, внутри призмы можно предположить своего рода пространственные колебания, биения, следствием которых является появление или исчезновение боковых радужных изображений. Но не надо к подобным аналогиям относиться слишком буквально. Природа света, возможно, слишком сложна, чтобы можно было применить наши механические аналогии.

Примечание

Все указанные явления наблюдались с прямоугольной призмой с двумя равными углами. Все грани, в том числе и торцовые, полированы. Возможно, что её размеры существенны. Поэтому они здесь указываются. Её длина 100 мм, ширина граней 23 х 23 х 35 мм.

При зеркальном изображении предмета в призме с равными гранями (все углы между гранями равны 60є) появление радужных изображений наряду с основным белым, как на рис. 2, не наблюдалось. Это были китайские изделия. Их торцы не были полированы.

Автор благодарит к.т.н. Хайдарова Карима за замечания, посволившие сделать текст статьи более однозначным и понятным.

Литература

  1. Что общего между дифракционной решёткой и призменным зеркалом?
  2. 300 лет тому назад свет был совсем другим?
Йохан Керн   Real Physik   Grosse Naturforscher   Deutsche Physik   Bibliothek