Белые пятна теории электромагнитного излучения

 

Эта глава посвящена мало известной проблеме теории электромагнитного излучения - ошибкам электромагнитной теории при описания взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Сейчас есть много теорий, пытающихся исправить проблемы теории электромагнитного излучения при его распространении. Однако свойства электромагнитного излучения проявляются не только при распространении, но и при взаимодействии с веществом. В этих случаях природа электромагнитного излучения проявляется иногда более ярко, чем при его распространении.

В теории практически не упоминается, что во всех физических явлениях с участием электромагнитного излучения, теоретически выведенные первичные формулы, не совпадают с экспериментальными формулами. Также практически не известно, что электромагнитной теории света пришлось заниматься исправлением первичных формул, которые не соответствовали экспериментальным результатам. После таких операций над физикой сейчас практически невозможно понять природу физических процессов с участием электромагнитного излучения. Дополнитеьную опасность представляет то, что математическое описание остаётся достаточно точным для практического применения,что создаёт иллюзию корректности теории.

В этой главе показаны принципиальные физические эксперименты, к описанию которых нужно вернуться для построения новой теории электромагнитного излучения, обладающей физическим смыслом. Это неправильное описание поведения электромагнитного излучения при интерференции, полном внутреннем отражении, преломлении электромагнитного излучения, дифракции, отражении от оптически более плотной среды. В этой главе также показано противоречие электромагнитной теории света и закона сохранения энергии, невозможность существования поперечных электромагнитных волн.

 

 

Интерференция электромагнитного излучения

Мало известно, что интерференция электромагнитного излучения неправильно описывается теорией. Первичные формулы для интерференции выводятся из здравого смысла, а не из теоретических предпосылок. Этот факт можно показать на примере самого простого случая – двухлучевой интерференции.

«Интерференция волн - сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы: волн на поверхности жидкости, упругих (например, звуковых), электромагнитных (например, радиоволн или световых волн)». [8]

«Схема образования плоскопараллельной пластиной интерферирующих пучков изображена на рисунке 1.

Интерференция возникает благодаря сложению лучей, отразившихся от верхней и нижней поверхностей пластинки Р. Будем считать, что пластинка прозрачна, имеет показатель преломления n и находится в воздухе, для которого показатель преломления (с большим приближением) равен единице.

Пучок лучей 1 и 2, падающих на пластинку Р под углом и преломляющихся под углом , испытывает частичное отражение на верхней и нижней поверхностях, в результате чего в отраженном свете интерферируют лучи и , а в проходящем свете - лучи и . Для количественного решения задачи необходимо найти разность хода для каждой пары интерферирующих лучей. Вычислим ее сначала для лучей и .

 

Рис.1 Схема образования плоскопараллельной пластинкой интерферирующих пучков света

 

Для этого нужно подсчитать разности длин оптических путей, возникающие при движении фронта падающей волны AD: от точки А на пути ABC до точки С для луча 1 и от точки D до точки С для луча 2. Под оптической длиной пути понимается произведение обычной его длины на абсолютный показатель преломления среды, для которой производится вычисление.

Из рисунка следует, что оптическая длина пути АВС равна n (АВ + ВС), а оптическая длина пути DC просто равна длине DC. В таком случае, разность хода лучей и равна:

 

g = n(AB+BC) - CD, (1)

 

АВ + ВС =2АВ. Как видно из рисунка,

 

, (2)

 

где h-толщина пластинки,

 

, (3)

 

При этом AC = 2AE,

 

В свою очередь, AE = htg , следовательно,

 

, (4)

и для разности хода лучей получаем:

 

, (5)

 

или: , (6)

 

Если заменить на по формуле:

 

, (7)

 

то получим:

, (8)

 

Оба полученных выражения (6) и (8) тождественны, но каждое из них более удобно использовать в различных конкретных случаях. Для получения разности фаз F лучей и необходимо умножить на волновое число . Однако в случае отражения света от среды с большим показателем преломления ("оптически более плотной") в среду с меньшим показателем преломления ("оптически менее плотную") полученное выражение еще не дает полной величины разности фаз». [2]

В этом месте возникает несовпадение теории и реального физического явления - интерференции. Для согласования теории и физического эксперимента, к теоретически полученному результату необходимо добавить p.

Несоответствие теоретического результата эксперименту говорит о неверных исходных данных и о необходимости заново решить все уравнения, изменив исходные данные.

«Простое рассуждение показывает, что к полученному значению нужно еще прибавить дополнительную фазу, равную p, которая возникает за счет отражения от «оптически более плотной среды», т.е. при отражении на верхней поверхности пластинки.

Объяснить это можно так. Когда свет падает нормально на поверхность пластинки, то , . При уменьшении будут попеременно возникать максимумы и минимумы интерференции. Когда толщина пластины станет такой, что , и будет стремиться к нулю, то разность фаз лучей 1 и 2 должна была бы стремиться к нулю и оба луча должны были бы интерферировать на усиление, достигающее максимума при . Однако в действительности отражение от таких пленок стремится не к максимуму, а к нулю. Это означает, что разность фаз лучей и при равна p, благодаря чему они интерферируют на "погашение" Итак, для лучей и необходимо записать разность фаз в виде:

, (9)

 

Знак "плюс" или "минус" перед p в формуле (9) не имеет существенного значения.

Условием максимума интерференции лучей и , т.е. для интерференции в отраженном свете будет выполнение равенства:

 

, (10)

где .

 

Так как , то можно записать:

, (11)

 

Таким образом, максимумы света будут иметь место для разности хода интерферирующих лучей, равной нечетному числу полуволн.

Для лучей и разность хода также определяется формулой (2.6). Рассуждение о прохождении света через пленку с показывает, что для данного случая скачка фазы , не будет иметь места. Поэтому условием максимума интерференции для лучей в проходящем свете будет:

 

, (12)

 

т.е. максимумы света будут получаться для разности лучей, равной целому числу волн (четному числу полуволн)». [2]

Ошибки теории при выводе первичной формулы двухлучевой интерференции очевидны: теоретический вывод формул интерференции (2.10) и (2.12) использовал неверные исходные данные полученные из теоретических предположений, поэтому он даёт неверные формулы. Для практического использования интерференции можно было бы просто взять формулы из физического эксперимента и честно признаться, что теория не в состоянии объяснить поведение электромагнитного излучения в данном случае.

Объяснение типа «необходимость введения дополнительного члена уравнения объясняется тем, что вывод уравнения не соответствует экспериментально наблюдаемому физическому явлению» должно сопровождаться либо признанием некорректности теории, из которой выведено не корректное уравнение (9), либо введением в теорию специального принципа, подобного принципу Гюйгенса - Френеля, как это было сделано с дифракцией электромагнитного излучения.

Метод подгонки результатов физических экспериментов под заранее известный теоретический ответ не является научным методом.

 

Преломление электромагнитного излучения

Первичные физические эксперименты по другим физическим явлениям – внутреннему отражению и преломлению излучения также подогнаны под заранее известный теоретический результат. Однако полного соответствия теории и практики в этом случае так и не получилось.

Первичная формула (20), определяющая поведение электромагнитного излучения за пределами тела с полным внутренним отражением не соответствует экспериментально наблюдаемому поведению электромагнитного излучения.

Несмотря на очевидность проблемы, исследовательского продолжения эта тема в физике так и не нашла.

«Полное внутреннее отражение - отражение электромагнитного излучения (в частности света) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим показателем преломления. Полное внутреннее отражение осуществляется, когда угол падения i превосходит некоторый предельный (критический) угол . При преломление во вторую среду прекращается. Впервые полное внутреннее отражение было описано немецким ученым И. Кеплером. После открытия закона Снелля стало ясно, что в рамках геометрической оптики полное внутреннее отражение - прямое следствие этого закона.

При полном внутреннем отражении электромагнитная энергия полностью возвращается в оптически более плотную среду. Поле во вторую (менее плотную среду) проникает лишь на характерное расстояние порядка длины волны , и его амплитуда экспоненциально затухает с удалением от границы раздела. Полное внутреннее отражение сопровождается продольным и поперечными сдвигами отраженного луча по сравнению с падающим на расстоянии ~ , что экспериментально проявляется в смещении отраженного пучка». [10]

Продольные и поперечные сдвиги отраженного луча не могут быть объяснены теорией. Такие же сдвиги наблюдаются при преломлении электромагнитного излучения, что также не объясняется теорией.

Естественно, полностью замалчивать необычное поведение электромагнитного излучения сложно, поэтому результаты физических экспериментов, в которых проявляется поведение электромагнитного излучения, не соответствующее теории, иногда находят своё практическое применение. Однако научная методика при этом используется прежняя – подгонка результатов экспериментов под заранее известный из электромагнитной теории ответ. Даже приблизительный или частичный ответ теории в этом случае признаётся экспериментально выведенным, и дальнейшие эксперименты не проводятся. Сейчас физики верят во всесилие математических методов, производят сложнейшие вычисления, но если в основе математического анализа любой сложности и точности лежат неверные исходные формулы, результатом неизбежно будет тупик.

Методику подгонки экспериментальных результатов под заранее известный теоретический результат покажем на примере анализа физических экспериментов по полному внутреннему отражению излучения.

«Если свет идет из материала, подобного стеклу, с вещественным показателем преломления n, большим единицы, в воздух с показателем n , равным единице, то согласно закону Снелля:

 

, (13)

Угол , преломленной волны становится равным 90 при угле падения , равном некоторому "критическому углу", определяемому равенством:

 

, (14)

Что происходит при большем, чем критический угол? Полное внутреннее отражение. Hооткуда оно все - таки берется? Вернемся к уравнению:

 

, (15)

 

оно дает волновое число для преломленной волны. Из него получилось:

 

, (16)

Hо так как

 

, (17)

а

, (18)

то

, (19)

 

Если больше единицы, то становится отрицательным, а - чисто мнимым, скажем .

"Преломленная" волна будет при этом иметь вид:

 

, (20)

 

т.е. с увеличением х амплитуда волны будет либо экспоненциально расти, либо падать, но сейчас нам нужен только отрицательный знак.

Амплитуда волны справа от границы будет вести себя, как показано на рисунке 2.

При этом нужно обратить внимание, что по порядку величины равна , т.е. равна длине волны света в пустоте.

Когда свет полностью отражается от внутренней поверхности стекло - воздух, то в воздухе возникают поля, но они не выходят за пределы расстояний, равных длине волны света.

Рис 2. Затухание электромагнитного поля вне призмы с полным внутренним отражением.

 

Теперь нам ясно, как нужно отвечать на такой вопрос: если световая волна в стекле падает на поверхность под достаточно большим углом, то она полностью отражается: если же придвинуть другой кусок стекла, (так, что "поверхность" практически исчезает), то свет будет проходить.

В какой точно момент происходит этот переход? Ведь наверняка должен существовать непрерывный переход от полного отражения к полному его внутреннему отсутствию.

Ответ, разумеется, состоит в том, что если прослойка воздуха настолько мала, что экспоненциальный хвост волны в воздухе имеет еще ощутимую величину во втором куске стекла, то он будет трясти электроны и порождать новую волну (рис. 3).

Некоторое количество света будет проходить через систему. (Конечно, наше решение неполно: нам следовало бы заново решить все уравнения для случая тонкого слоя воздуха между двумя областями стекла).

Для обычного света этот эффект прохождения можно наблюдать только, если щель очень мала (порядка длины волны, т.е. 10 см.), но для трехсантиметровых волн он демонстрируется очень легко.

 

Рис.3 Прохождение электромагнитного излучения через систему призм с полным внутренним отражением.

 

Для таких волн экспоненциально затухающие поля распространяются на расстояние нескольких сантиметров. Микроволновая аппаратура, с помощью которой демонстрируется этот эффект, изображена на рис. 4.

Волны из маленького передатчика трехсантиметровых волн направляются на парафиновую призму, имеющую сечение в форме равнобедренного прямоугольного треугольника. Показатель преломления парафина для этих частот равен 1.50, поэтому критический угол будет 41.5 .

Таким образом, волны полностью отражаются от поверхности, наклоненной под углом 45 , и принимаются детектором А. Если к первой призме плотно приложить вторую призму, то волны проходят прямо сквозь них и регистрируются детектором В. Если же между призмами оставить щель в несколько сантиметров, то мы получим как отраженную, так и проходящую волны.

Поместив детектор в нескольких сантиметрах от наклоненной под углом 45 поверхности призмы, можно увидеть и электрическое поле вблизи нее». [1]

Покажем нерешённые проблемы электромагнитной теории при прохождении излучения границы тела с полным внутренним отражением.

Теоретически существование электромагнитного поля вне призмы с полным внутренним отражением описывается формулой:

 

, (20)

 

Это уравнение имеет два решения:

1. Первое решение при знаке «плюс» в степени не соответствует эксперименту, т.к. даёт экспоненциальный рост амплитуды волны. Этого не наблюдается в эксперименте, т.е. первое решение теоретического уравнения 20 противоречит экспериментальным результатам.

2. Второе решение уравнения (20) при знаке «минус» в степени также не соответствует эксперименту, поскольку экспонента даёт неограниченное распространение электромагнитного поля за пределами тела с полным внутренним отражением. Искусственное обрезание хвоста электромагнитной волны на расстоянии математически не корректно.

Проведём анализ процесса преломления электромагнитного излучения и теоретического описания этого процесса.

«Ответ, разумеется состоит в том, что если прослойка воздуха настолько мала, что экспоненциальный хвост волны в воздухе имеет еще ощутимую величину во втором куске стекла, то он будет трясти электроны и порождать новую волну (рис. 3)». [1]

Процесс преломления предлагается рассматривать следующим образом: при достаточно тонкой прослойке воздуха электромагнитное излучение поглощается электронами второй призмы, затем переизлучается в том же направлении и с теми же характеристиками. Недостатком предложенного физического процесса является то, что он нереализуем в эксперименте.

Теоретически, в этом случае, излучение будет изотропным, равновероятным во все стороны. Но даже, если бы линейные осцилляции электронов в твёрдом теле существовали, излучение этих электронов зависели бы от параметров их осцилляций, а не от направления возбудившего эти осцилляции излучения. В любом случае, направление переизлучения было бы другим, чем направление излучения, возбудившего осцилляции. Этот механизм давал бы картину рассеяния излучения на границе второй призмы.

Теория электромагнитного излучения не имеет механизма продольного и поперечного сдвига пучка излучения, проходящего через систему призм.

Метод подгонки результатов физических экспериментов под теорию, на примере полного внутреннего отражения выглядит следующим образом:

Прохождения излучения за границу материала призмы по теории быть не должно. Сам факт такого физического явления противоречит теории.

Однако, в связи с отсутствием другой теории, следует попытка повторного применения электромагнитной теории.

Результатом повторного применения электромагнитной теории стала формула (20), имеющая два решения, из которых оба не соответствуют экспериментально наблюдаемому результату. Однако, поскольку другого варианта электромагнитная теория предложить не может, то уравнение (20) теория предлагает считать экспериментально выведенным, а одно решение этого уравнения физически обоснованным.

Для корректности теории необходимо введение в теорию специального принципа для преломления, подобного принципу Гюйгенса – Френеля для дифракции. Можно также признать существующую теорию не корректной и вывести корректную теорию.