ИНТЕРФЕРОМЕТР

Полезная модель относится к оптической технике и может использоваться в фундаментальных научных исследованиях.
Решающие физические эксперименты ставятся для проверки или уточнения физической гипотезы и относятся к области фундаментальных исследований. Наблюдаемые результаты решающего эксперимента должны опровергать или подтверждать какое-нибудь следствие гипотезы, в силу чего решающий эксперимент служит окончательным аргументом для принятия гипотезы в качестве теории или ее отбрасывания, как несостоятельной. Если выясняется, что результат эксперимента может быть объяснен в рамках различных взаимоисключающих гипотез, необходим новый решающий эксперимент, дающий в рамках этих различных гипотез взаимоисключающие результаты. В частности, интерферометр Майкельсона был специально разработан и сконструирован для проверки влияния движения лаборатории относительно покоящейся в астрономической системе отсчета на разность фаз света, прошедшего различные пути и подвергшегося различному влиянию движения лаборатории на его скорость и фазу. Отсутствие сдвига интерференционной картины при вращении интерферометра, изменяющем его ориентацию по отношению к движению лаборатории опровергло эфирную теорию модели распространения света и послужило основанием создания теории относительности, устранившей понятие светоносной среды из теоретической физики. Однако окончательные подтверждения или опровержения фундаментальных постулатов этой теории до сих пор актуальны, что подтверждено продолжающимися исследованиями в ведущих физических лабораториях мира.
Известен интерферометр Майкельсона с двумя взаимно ортогональными плечами, схема которого приведена на рис.1, где: 1 - источник света, 2 - полупрозрачное зеркало, 3 и 4 - зеркала, 5 - компенсирующая пластина, 6 - устройство регистрации; источником света может служить лазер или светильник с необходимыми диафрагмами и объективами, а также свет звезды, устройством регистрации может служить экран, окуляр для наблюдения глазом, видеокамера или фотокамера [Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия. 1983. стр.225]. Интерферометр работает следующим образом. Параллельный пучок света от источника 1 попадает на полупрозрачное зеркало 2, где делится на два равных по интенсивности пучка. Один из этих пучков отражается от зеркала 3, после чего вновь приходит на полупрозрачное зеркало 2, где вновь отклоняется и поступает на устройство регистрации. Второй пучок проходит через компенсирующую пластину 5 к зеркалу 4, где отражается, вновь проходит через компенсирующую пластину 5 и через полупрозрачное зеркало 2 также поступает на устройство регистрации. На устройстве регистрации оба пучка складываются. Оптическая разность хода пучков в плоскости устройства регистрации 6 зависит от угла наблюдения, а, следовательно, от координаты точки в плоскости устройства регистрации. В результате получается интерференционная картина в виде чередующихся темных и светлых колец, так как яркость суммы двух колебаний с различными фазами зависит от разности фаз, накопленных на различных оптических путях. При полном равенстве оптических длин различных плеч интерферометра, что обеспечивается компенсационной пластиной 5, интерференция наблюдается даже при использовании некогерентного источника света. В предположении Майкельсона движение интерферометра должно приводить к изменению истинного пути, проходимого светом, если скорость света постоянна только в системе, покоящейся в астрономической системе, что указывало бы на наличие светоносной среды. Таким образом, перемещение интерферометра должно было бы по замыслу его автора позволить выявлять движение лаборатории по отношению к покоящейся в астрономической системе отсчета.
Основным недостатком этого интерферометра явилось большое число вариантов гипотез для объяснения отсутствия перемещения интерференционной картины при движении интерферометра. В частности, теория относительности объясняет это отсутствием светоносной среды в интерферометре, принимая постулат о постоянстве скорости света во всех системах отсчета в вакууме (понимая вакуум как отсутствие светоносной среды).
Наиболее близким к заявляемому регулятору является интерферометр, схема которого приведена на рис.2, где
- 1 - источник света;
- 2 - светоделительная пластина;
- 3, 4 и 5 - зеркала;
- 6 - регистрирующее устройство
- 7 и 8 - кюветы с движущимся веществом
2
[Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия. 1983. стр.817]. Этот интерферометр принят за прототип полезной модели. В его схеме сопоставляется сдвиг фаз, получаемых при прохождении жидких веществ, имеющих различную скорость движения, расположенных в кюветах 7 и 8. В данном эксперименте установлено, что движущееся вещество увлекает свет с коэффициентом увлечения, равным α=1-1/n, где n - показатель преломления среды. Лаборатория при этом покоится.
Если направление света совпадает с направлением движения вещества в кювете 7 или 8, которая при этом движется вдоль оси движения света со скоростью V, то скорость света в этом веществе с показателем преломления n равна
+V
С=C/n+αV.
Переходя в систему отсчета, связанную с лабораторией, получаем
1
V
С=C-V=C/n-(1-α)V.
Если направление света противоположно направлению движения вещества в кювете 7 или, то скорость света в этом веществе равна
-V
С=C/n-αV,
а в системе отсчета, связанной с лабораторией
2
V
С=С+V=C/n+(1-α)V.
Разность скоростей света в этих двух кюветах равна
1
2
С-С=2αV.
Луч света, последовательно проходящий зеркала 3, 4 и 5, каждый раз движется против движения вещества, а луч света, проходящий последовательно зеркала 5, 4 и 3, движется каждый раз в том же направлении, что и вещество. Поэтому эти лучи получают в обеих кюветах приращения фазы света противоположного знака, а так как схема чувствительна к разности фаз, результирующий эффект сдвига интерференционных полос увеличивается вдвое, и его легче измерять.
Таким образом, данный интерферометр позволяет измерять изменения скорости света вследствие движения светопроводящего вещества.
Этот интерферометр работает следующим образом.
Свет от источника 1 поступает на светоделительную пластину 2, где делится на два пучка, один из которых проходит последовательно две кюветы 7 и 8 в одном направлении, а другой - в противоположном. Измерения производятся сначала при неподвижном веществе, а затем при движущемся. По смещению интерференционных полос определяется разность времен прохождения лучей в движущемся веществе, а следовательно, и коэффициент увлечения света α.
Недостатком прототипа, не позволяющем применить его в решающем физическом эксперименте по измерению приращения скорости света в среде при движении среды, является независимость положения интерференционной картины от скорости лаборатории. Действительно, поскольку каждый из лучей проходит равный путь в веществе, то если вещество совместно с лабораторией движется относительно покоящейся в астрономической системе отсчета, и если движение лаборатории каким-либо образом влияет на сдвиг фаз в каждом плече интерферометра, то это влияние одинаково, и разность дополнительная фаз не возникает.
Предлагаемая полезная модель решает задачу применения интерферометра в решающем физическом эксперименте.
Поставленная задача решается тем, что одна из кювет удалена, а движение вещества в оставшейся кювете заменено изменением ориентации интерферометра в пространстве, что позволяет заменить кювету любым светопроводным веществом, включая оптический кристалл.
Схема предлагаемого интерферометра приведена на рис.3. Она содержит:
- 1 - источник света;
- 2 - светоделительную пластину;
- 3, 4 и 5 - зеркала;
- 6 - регистрирующее устройство
- 7 - образец светопроводящего вещества.
Источником света может служить лазер.
Светоделительная пластина может быть такой, как в прототипе.
Зеркала могут быть такими, как в прототипе.
Регистрирующим устройством может быть фотокамера.
Образцом светопроводящего вещества может быть оптическое стекло.
Этот интерферометр работает следующим образом.
Скорость движения образца светопроводящего вещества совпадает со скоростью движения интерферометра и определяется только движением интерферометра по отношению к астрономической системе отсчета. Если теперь интерферометр вращать в различных направлениях и фиксировать положение интерференционной картины, то различные известные и считающиеся в равной степени верными теории дают разные прогнозы результатов такого эксперимента. В частности, поскольку верен закон Физо, справедливость которого доказана в опыте с этим интерферометром, принятым за прототип, то движущаяся среда увлекает свет с коэффициентом увлечения α. Следовательно, скорость света в веществе будет отличаться в различных направлениях, если ее измерять в астрономической системе отсчета. Но если в астрономической системе скорость света в различных направлениях не совпадает, то движение интерферометра породит сдвиг интерференционной картины. Равным образом изменение ориентации движущегося интерферометра по отношению к направлению его движения также породит сдвиг интерференционной картины. Поскольку всякая лаборатория движется совместно с планетой Земля и с Солнечной системой относительно астрономической системы отсчета, необходимо сделать вывод о перемещении интерференционных полос при изменении ориентации интерферометра. Если бы средой в образце 7 являлся вакуум, то в движущейся системе отсчета, связанной с лабораторией, согласно теории относительности, скорость в вакууме также равна С относительно любой системы отсчета. Однако относительно светопроводящего вещества теория относительности не утверждает инвариантности скорости света в этой среде, измеренного в лаборатории, наоборот, зависимость скорости света от скорости вещества неоднократно доказана экспериментально. Потому в рамках известных законов движения света в веществе несомненным является утверждение, что движение интерферометра относительно астрономической системы, в образец вещества 7, проходится различными лучами в различных направлениях, по-разному скажется на скорости света в этих направлениях в пределах этого вещества. Следовательно, по этой теории такое движение должно изменить соотношение фазовых сдвигов различных лучей интерферометра, что породит сдвиг интерференционной картины на регистрирующем устройстве. В пользу этого прогноза говорит также теоретический вывод об отсутствии светоносной среды в природе на основе отсутствия сдвига интерференционных полос в интерферометре Майкельсона, который был сделан А.Эйнштейном и который признает современная теоретическая физика [Эйнштейн А. Собрание научных трудов, в 4 т. T.1. Работы по теории относительности. М. Наука 1965. с.10-11, с.530-600]. Таким образом, согласно современным теоретическим представлениям, отсутствие вещества служит причиной отсутствия перемещения интерференционной картины, а наличие перемещения интерференционной картины указывало бы на наличие среды.
С другой стороны, согласно второму постулату теории относительности, никакими опытами в движущейся лаборатории нельзя выявить равномерное прямолинейное движение, включая опыты со светом. Из этой теории следует, что равномерное прямолинейное движение любого интерферометра не должно приводить к изменению интерференционной картины, и это относится также к предлагаемому интерферометру. Таким образом, две существующие теории, в равной степени принятые теоретической физикой за достоверные, дают принципиально различные прогнозы относительно результатов наблюдений сдвига интерференционной картины данного интерферометра в указанных условиях. Следовательно, данный интерферометр может служить для решающих экспериментов в физике.
Этот интерферометр работает следующим образом.
Свет от источника 1 поступает на светоделительную пластину 2, где делится на два пучка, один из которых проходит последовательно зеркало 3, образец светопроводящего вещества 7, зеркала 4 и 5, после чего направляется светоделительной пластиной 2 на регистрирующее устройство. Второй пучок последовательно проходит зеркала 5, 4, образец светопроводящего вещества 7 и зеркало, после чего также направляется светоделительной пластиной 2 на регистрирующее устройство. В результате образец светопроводящего вещества два разных пучка света проходят в противоположных направлениях, и если этот образец будет двигаться в направлении, совпадающим с направлением движения одного пучка света, то для другого пучка он будет двигаться во встречном направлении. Поэтому разные лучи получат различные приращения скоростей света в образце светопроводящего вещества 7. Если это так, то будет выявлен сдвиг интерференционной картины, и, следовательно, второй постулат теории относительности, утверждающий невозможность обнаружения движения лаборатории относительно астрономической системы отсчета, ошибочен. Если же это не так, и если второй постулат теории относительности не нарушается, тогда сдвига интерференционных полос не произойдет, не смотря на наличие образца светопроводящего вещества 7 на пути лучей интерферометра, причем, размещенного так, что сдвиг скоростей света для различных пучков заведомо должен не совпадать. В этом случае следует признать, что отсутствие сдвига в интерферометрических измерениях отнюдь не доказывает отсутствие светопроводящей среды, поскольку такое отсутствие наблюдено при достоверном наличии образца светопроводящего вещества 7.
Таким образом, предлагаемое изобретение решает задачу постановки эксперимента, прогноз результатов которого исходя из известных различных, но в равной степени распространенных научных гипотез, различен. Поэтому результаты применения этого интерферометра в таком эксперименте являются достаточно убедительным основанием для принятия одной из указанных теорий и отказа от другой из указанных теорий (или ограничения области ее применимости).
В результате появляется основание для предпочтения одной теории по отношению к другой. Это позволяет повысить достоверность фундаментальных физических знаний в области оптики.
Таким образом, предлагаемый интерферометр обеспечивает возможность постановки решающего физического эксперимента по проверке постулатов теории относительности.
Данный интерферометр не требует обязательного совпадения путей света во взаимно встречных направлениях, и может быть выполнен в схеме, где пути распространения света во встречных направлениях различны, как показано на рис.4.
В случае отрицательного результата убедительность эксперимента по проверке теории относительности может быть повышена применением схемы, в которой пучки света идут во взаимно ортогональных направлениях, как показано на рис.5. В этом случае схема интерферометра может совпадать со схемой интерферометра Майкельсона, отличаясь от нее тем, что в каждом из двух его плеч помещены образцы светопроводящего вещества. Хотя такая схема сложнее рассмотренной выше схемы, ее теоретическая трактовка для случая отсутствия светопроводящего вещества широко известна, причем отсутствие перемещения интерферометрической картины считается окончательным доказательством отсутствия светопроводящей среды. Как вариант, может быть применен интерферометр Майкельсона, полностью или частично заполненный светопроводящим веществом, как показано на рис.6. Убедительность этого эксперимента в случае отсутствия перемещения интерференционной картины при достоверном присутствии светопроводящего вещества будет доказывать, что один из двух главных постулатов теории относительности ошибочен. Либо наличие вещества не исключается даже при отсутствии перемещения интерференционной картины, что заставляет отказаться от первого постулата теории относительности, либо наличие вещества приводит к перемещению интерференционной картины, что заставляет отказаться от второго постулата теории относительности.
Так же, как в схеме интерферометра Майкельсона, для повышения чувствительности интерферометра может использоваться многократное прохождение пучками света приблизительно одних и тех же оптических плеч по близко пролегающим траекториям, что увеличивает оптическую длину каждого плеча и повышает чувствительность интерферометра.
Интерферометр может быть закреплен на вращающемся столе, либо плавать на вращающейся платформе, как это было осуществлено в интерферометре Майкельсона.