Глава 6.
Если уж начали читать, и что еще хуже, дочитали до конца, тогда уж оставьте в комментариях свое мнение или сомнение.
Однажды, совершенно случайно в библиотеке среди груд газет и журналов разных лет наткнулся на подшивку журнала "ТЕХНИКА МОЛОДЕЖИ" за 2001 год. Там, среди обилия статей о новых теориях, гипотезах, идеях мне попалась на глаза статья Вячеслава Жвирблиса, опубликованная во втором номере в этом же году под названием "НАУКА ПО-ПРЕЖНЕМУ ИМЕЕТ МНОГО ГИТЕК". В ней я обнаружил описание эксперимента, который был поставлен более десяти лет назад Ричардом Манделом и его сотрудниками в Рочестерском Университете. Так как речь ниже пойдёт именно о нём, приведу описание этого эксперимента из статьи дословно:
«Если не вдаваться в технические подробности, то суть его заключалась в том, что сначала лазерный луч расщеплялся с помощью полупрозрачного зеркала на два одинаковых пучка, а каждый из них расщеплялся еще раз надвое с помощью особых кристаллов (так называемых параметрических преобразователей частоты), позволяющих ровно вдвое уменьшить энергию каждого кванта. В результате получались четыре когерентных и совершенно независимых световых пучка, которые «наперекрест» направлялись на датчики, где давали идентичные картины интерференции. Логично было предположить, что если перекрыть один луч в одной из пары пучков, заставив фотоны вести себя в нём подобно частицам, то в другой (физически совершенно независимой от первой) паре пучков картина интерференции не может измениться. Но не тут-то было: каким-то таинственным, как бы физико-телепатическим образом кванты узнавали, что экспериментаторы за ним как бы «подглядывали» и в другом канале волны мгновенно начинали вести себя как частицы! Никакого разумного, истинно научного объяснения этому явно феномену не дано до сих пор …»
Попытаемся осмыслить результаты этого удивительного эксперимента.
Для начала вспомним правило, известное всем из школьной программы по физике: наличие картины интерференции при скрещивании двух пучков света означает, что эти пучки имеют волновую форму и когерентны, так как только когерентные волны могут создавать устойчивую картину интерференции. Получить же когерентные пучки света можно только от одного источника. Но вот что интересно: является ли отсутствие картины интерференции доказательством, что световые пучки не когерентны? Или возможны иные причины такого поведения волн?
Автор статьи "НАУКА ПО-ПРЕЖНЕМУ ИМЕЕТ МНОГО ГИТЕК" и, очевидно, большинство современных учёных предполагают, что причиной отсутствия интерференции применительно к электромагнитным волнам могут быть их корпускулярные свойства. С их точки зрения, фотоны могут не проявлять в некоторых случаях своих волновых свойств, например, не создавать картины интерференции, несмотря на то, что являются когерентными, и вести себя подобно частицам. Но так ли это на самом деле? Подобная трактовка корпускулярно-волновых характеристик света, на мой взгляд, результат поверхностных, неполных знаний о природе и свойствах волн и даже ошибочности некоторых положений волновой механики. Именно эту проблему необходимо решить в первую очередь. А для этого придется начать с ревизии основ волновой теории. Рассмотрим механизм интерференции на примере механических волн – волн на воде (рис No1).
За источник P возьмем деревянный брусок, совершающий гармонические колебания на поверхности воды с помощью какого-нибудь механического устройства. На некотором расстоянии от источника волн разместим три заградительных щита так, чтобы между ними оставались два узких прохода для волн. Оба этих прохода, благодаря явлению дифракции представляют собой два когерентных источника P (1) Р (2) расходящихся веером волн. За щитами поодаль натянем нить (F) с подвешенными на ней поплавками. Поплавки будут служить нам детекторами колебаний. С их помощью мы сможем получать дополнительные сведения о колебаниях конкретных точек поверхности воды. Визуальное наблюдение за поверхностью воды позволяет нам сделать вывод, что движение волн от любого из источников – щелей P1 или P2 не влияет на распространение волн от другого. Видно, как волны кругами расходятся по поверхности воды. Горбы и впадины волн обоих источников образуют узлы в местах пересечения. Узлы горбов и узлы впадин располагаются на общих линиях (L), вдоль которых и перемещаются, вместе с волнами. Посмотрим теперь на поплавки и увидим, что колебания их не одинаковы. Те из них, что располагаются на пересечении линий, вдоль которых движутся узлы горбов и впадин, с нитью детекторов, колеблются наиболее интенсивно. Те, что рядом, несколько слабее. А поплавки, расположенные между линиями, или вовсе не колеблются, или колеблются еле-еле. К поплавкам, колеблющимся с наибольшей интенсивностью, гребни волн от источника P1 приходят одновременно с гребнями волн от источника P2, впадины волн от источника P1 – одновременно с впадинами волн от источника P2. Таким образом, амплитуда колебаний поверхности воды в этих точках представляет собой сумму амплитуд волн от обоих источников. В точки, где находятся неколеблющиеся поплавки, гребни волн от одного источника приходят одновременно с впадинами волн от другого так, что под действием одной волны вода пытается подняться, а под действием другой – опуститься, в результате чего эта точка поверхности воды вообще не волнуется, или почти не волнуется.Нить с детекторами пересекают несколько линий с максимальной интенсивностью и несколько линий с минимальной интенсивностью. В результате складывается общая картина из чередующихся всплесков и спадов интенсивности волнения воды – картина интерференции.
Уяснив для себя основную суть процессов, приводящих к образованию картины интерференции с помощью когерентных источников, перейдем к рассмотрению другой ситуации, в которой источники не когерентны. Для этого мы разделим резервуар, в котором ранее находился один источник (колеблющийся брус) на два так, чтобы на каждый из разделённых резервуаров полагалось по одному проходу для волн. Разместим в каждое образованное пространство по одному независимому источнику волн, только на этот раз один из источников должен быть с регулируемой частотой колебаний. Настраиваем частоту регулируемого источника волн таким образом, чтобы она отличалась от частоты второго источника в 1,6 - 1,7 раза и посмотрим, что происходит на поверхности воды.
С первого взгляда кажется, что ничего не изменилось. Так же, как и в эксперименте с когерентными источниками, движение волн от каждого источника независимо. Можно увидеть узлы горбов и впадин и их движение. Но на этот раз узлы располагаются не вдоль прямых линий, а разбросаны хаотично по поверхности. А что же детекторы? Наблюдение за поплавками в течение нескольких минут позволяет сделать вывод, что так или иначе все они колеблются. Центральные сильнее, крайние слабее, но все-таки все. Интерференция отсутствует. По крайней мере – видимые её признаки.
Плавно уменьшаем частоту генерации волн регулируемого источника, приближая её к частоте генерации второго. Как только длины волн обоих источников достигнут близких друг к другу значений, мы начнём замечать некоторую общность в поведении поплавков. Во-первых, хаотичное подергивание их сменяется плавным нарастанием и убыванием амплитуд колебаний. Во-вторых, если раньше наблюдалась почти полная независимость в поведении детекторов, то теперь уже отчетливо проступают всплески и провалы интенсивности волнения для группы поплавков, схожие с теми, которые имелись у интерференции когерентных волн (Рис. №2). Но на этот раз всплески и провалы интенсивности волнения перемещаются вдоль нити с детекторами, с одного края на другой, а не покоятся, как раньше. Продолжая уменьшать разность частот генерации волн, мы будем уменьшать и скорость движения всплесков интенсивности вдоль линии детекторов. Попробуем медленно переместить нить с поплавками к просветам в щитах. И на этот раз убеждаемся, что всплески и провалы интенсивности волнения образуют линии, пересекающие нить. Время, за которое максимальная интенсивность волнения в определённой точке сменится другой максимальной интенсивностью (назовём его модуляционным периодом – «Tm»), можно найти из формулы:
Где L1, L2 – длины волн, V – скорость волн. Используя современные достижения научно-технического прогресса и эту формулу, мы можем ещё несколько усложнить наш эксперимент, дополнив его устройством, отслеживающим движение всплесков интенсивности.
Устройство должно быть оснащено видео глазом и подвижной механической частью, управляемой компьютером. Компьютер, получая информацию (фаза, частота, амплитуда) от обоих источников волн, заставляет видео глаз отслеживать, начиная с некоторой начальной точки, движение всплеска интенсивности по нити таким образом, чтобы на экране монитора пик всплеска интенсивности располагался строго посередине. Через промежуток времени, равный модуляционному периоду, подвижная часть устройства должна достаточно быстро, за доли секунды вернуться в исходное положение, а изображение ранее наблюдаемого всплеска интенсивности смениться изображением следующего. Затем процесс отслеживания повторяется.
Если на экране монитора умещается не один всплеск интенсивности, а несколько, и смена изображения одного всплеска другим происходит достаточно быстро, то наблюдаемая нами картина ничем не будет отличаться от картины интерференции когерентных волн (рис. №2, вид А). И даже если мы попытаемся вновь увеличить или уменьшить частоту генерации волн регулируемого источника (в пределах тех значений L1 и L2, при которых формула модуляционного периода остаётся верной), то и тогда, когда поведение поплавков будет казаться нам хаотичным и непредсказуемым, на экране монитора картина интерференции останется столь же отчетливой.
Поэтому вполне обоснованно мы можем сделать вывод, что когерентность волн не является непременным условием получения порядка, именуемым интерференцией. Но получить неподвижную, относительно наблюдателя картину интерференции можно, конечно, только с помощью когерентных волн.
Но вопрос остается: Можем ли мы утверждать, что отсутствующая картина интерференции является доказательством отсутствия у наблюдаемого потока волновых свойств?
Поэтому перейдем к следующему мысленному эксперименту. Возьмём два резиновых шнура. Соединим прочной, но лёгкой шелковой ниткой их середины. Закрепим четыре свободных конца в точках A, B, C, D, как показано на рис. № 4. Точки A, B, C, D должны лежать в одной плоскости.
Оттянув одновременно и на одинаковое расстояние шнур в местах, близлежащих к точкам A и B, – в одном месте вверх, в другом вниз – отпустим. По двум частям шнура от точек A и B к точке O побегут поперечные волны.
Предположим, что условия эксперимента идеальны и волны при движении не теряют свою энергию. С того момента, когда они начали своё движение по шнуру, мы можем считать их свободными от всякого воздействия извне. Подождём, пока обе волны достигнут точки O (по условию эксперимента они должны сделать это одновременно) и посмотрим, что будет происходить дальше.
Одна волна, которую мы создали, оттягивая шнур вверх, движется горбом вперёд. Достигнув точки O, она будет пытаться поднять её. Другая волна движется вперёд впадиной и, следовательно, достигнув точки O, точно с такой же силой будет стремиться её опустить.
Так как силы, действующие на точку O, в течение всего времени движения волн, всегда остаются равными и взаимно противоположными, с точки зрения современной волновой механики (закона сложения гармонических колебаний) колебание этой точки невозможно. Но, согласно принципу Гюйгенса, неколеблющаяся точка волновой среды не может являться источником колебаний для близлежащих к ней точек. Правда, у него это звучит несколько иначе: «…колеблющаяся точка, в свою очередь, является источником вторичных колебаний для близлежащих точек…». А так как точка O не колеблется, то и точки, близлежащие к ней и расположенные на ветвях OC и OD, тоже колебаться не будут. Но такое положение противоречит другому правилу волновой механики – правилу о независимом распространении волн.
Куда же в таком случае денутся созданные нами волны? Исчезнут? Завернут обратно? Действительно, некоторая часть волн отразится от точки O. Объясняется это довольно просто: точка O в два раза массивнее и жестче любой другой точки шнура AC или BD. Массивность тоски O равна сумме массивности точки O1 шнура AC и массивности точки O2 шнура BD. К тому же она сильнее связана силами упругости (с четырёх сторон, а не с двух, как у других точек). Поэтому она ведёт себя по отношению к волнам точно так же, как граница двух сред с разной оптической плотностью по отношению к световому потоку, то есть частично отражает его. Процент отражения волны зависит от физических характеристик точки O (среды) и не зависит от характера наложения волн в точке. Оставшаяся часть волн должна пройти через неё без каких-либо потерь.
Точка O способна двигаться в любом направлении. Она не закреплена жестко и, следовательно, не может отразить всю волну. Движение волн через точку O ограничивает лишь то, что силы, действующие на неё, всегда взаимно противоположны. Если возбудить волну только на одном шнуре, то неотражённая её часть пройдёт через точку O свободно, без каких-либо противоречий. То же самое произойдёт, если обе волны достигнут точки O одинаковыми фазами, то есть одновременно горбами или впадинами. В этом случае силы, действующие на точку O, имеют общее направление вверх или вниз. В нашем же случае волны скрещиваются в противофазе. Силы, действующие на точку O, взаимно противоположны, что на первый взгляд, делает движение волн через точку O невозможным. Но и не пройти через точку O волны не могут. Это будет противоречить и закону сохранения энергии, и механике волн. Что же происходит в нашем эксперименте на самом деле?
На рис. № 5 показаны деформации (растяжения) участков шнура, силы, порождаемые этими деформациями, и воздействие их на определённые точки резинового шнура, движение этих точек.
На каждую точку, находящуюся в области деформаций, действуют, как правило, две силы натяжения (области h, q, f). Равнодействующая этих сил направлена вверх или вниз. Если силы равны и взаимно противоположны (как в точке f), она равна нулю. Но есть и такие участки колеблющегося шнура, где на точку действует только одна сила – сила натяжения шнура, и направлена она вдоль линии шнура (область r). Таких точек у волны всего две. Одна расположена впереди волны, другая – сзади. На рисунке они обозначены как точки S. Стоит только этой точке сместиться от первоначального местоположения, как на неё начинает действовать вторая сила, вследствие чего результирующая сил принимает вертикальное направление, а точкой S становится впередистоящая точка, на которую действует только одна сила.
Обозначим начальную точку колебаний на шнуре AO как S1, а на шнуре BO как S2 и рассмотрим ситуацию, когда точки O, S1 и S2 совмещены, т. е. занимают общее местоположение. (Рис. №6).
Характер колебаний точки O в эксперименте с двумя резиновыми шнурами задаётся результирующей силой F(r) от двух сил F(S1) и F(S2) которая на самом деле не равна нулю. Силы F(S1) и F(S2) равны по величине, но не противоположны по направлению. Так как, согласно условию эксперимента, амплитуды обеих волн равны, вектор силы F(r) будет лежать в плоскости ABCD. Поэтому линия, вдоль которой колеблется точка O, так же лежит в плоскости ABCD и является линией, в которой находятся биссектрисы углов AOB и COD. В свою очередь, колебания точки O в плоскости ABCD могут возбудить колебание точек в частях OC и OD так же, только в той же плоскости. Невероятно, но факт: каким-то странным образом волны, колеблющиеся в перпендикулярном к плоскости ABCD направлении, пройдя через точку O, поворачиваются на 90 градусов, и дальнейшее движение их продолжается уже в плоскости ABCD. Такое поведение волн нельзя назвать совсем уж независимым.
Представьте себе два летящих в безвоздушном пространстве тела. Предположим, что они имеют форму пуль и движутся острыми концами вперёд по пересекающимся траекториям. Предположим так же, что пули проходят точку пересечения с незначительной разницей во времени, не сталкиваясь друг с другом. В течение времени мы наблюдаем, как тела сближаются, отмечая, что физические характеристики их движения никак не меняются. Пули приблизились друг к другу на очень маленькое расстояние и начали разлетаться. И вдруг мы замечаем, что они движутся уже не острыми концами вперёд, а тупыми. Тщательно измеряем их скорости, массы, моменты движения и тому подобные характеристики и удивляемся – они не изменились. С точки зрения механики Ньютона это должно было бы означать, что тела не взаимодействовали. Если на тело действует сила, то оно движется с ускорением. Изменяется его энергия, импульс. Но поскольку в момент сближения между телами не было никакого взаимодействия, не должно было случиться и такого странного переворота. То есть вообще никаких изменений в принципе быть не должно. Но изменения есть, а значит, тела взаимодействовали! Просто это взаимодействие не укладывается в прокрустово ложе механики Ньютона.
В основе принципа независимого движения волн лежат постоянство скорости волн в неизменной среде и законы сохранения, о которых я уже говорил. Если волны не могут изменять свою скорость (ускоряться или замедляться), они не могут и изменять направление своего движения. Механика Ньютона изначально создавалась для физических тел, способных при взаимодействии изменять скорость и направление движения, обмениваться импульсом, энергией. Свойства, подобные механическим свойствам физических тел, волнам не доступны. Волны не способны изменять свою скорость, обмениваться импульсом. Но и полагать, что они вообще не способны взаимодействовать друг с другом, было бы неверно.
Во всех законах физики, раскрытых до сего времени, не наблюдается никакого различия между движением физических процессов в направлении от прошлого к будущему, от таких же процессов из будущего в прошлое. Можете самостоятельно проверить этот эксперимент на соблюдение законов симметрии во времени. Вы удивитесь. Эксперимент на резиновом шнуре в том виде, в котором я его изложил, не обратим во времени.
Механика движения волн, в отличие от механики движения физических тел, допускает необратимость движения во времени. Волны способны отличать будущее от прошлого. Я так же полагаю, что если и есть процессы необратимые во времени, то они таковыми являются благодаря уникальным способностям волн. Необратимым может быть тепловое движение атомов и молекул, газов, процессы в жидких и твёрдых телах, так как взаимодействие столь малых частиц осуществляется посредством электромагнитных волн. Существование и развитие живой материи невозможно без тепла, света, обмена информацией, всего того, что в той или иной степени связано с волнами. Большое влияние на необратимость движения элементарных частиц оказывает реликтовое, космическое и фоновое излучение.
Необратимость волновых процессов, наличие массы, импульса, а также собственного, отличного от известных ранее взаимодействия - всё это наилучшее доказательство как материальности волн, так и уникальности этой материи. Конечно же, при условии, что всё перечисленное верно для всех типов волн. Так это или нет, будет рассмотрено в следующей главе.