Johann Kern, Stuttgart, Deutschland, jo_k@gmx.net
Об интегральном (суммарном) воздействии
элементов отражающей поверхности на частицы света
Ещё во времена Ньютона учёные предполагали, что частицы света отражаются от зеркальной поверхности, не доходя до неё, бесконтактно. Автор подтвердил это явление экспериментально и сфотографировал нематериальную поверхность отражения световых лучей при малых углах между направлением лучей света и отражающей материальной плоскостью.
Эффект наличия плоскости отражения световых лучей
над поверхностью пластин при больших углах отражения
Многие люди уже давно заметили, что зеркальное отражение можно получить от поверхностей, которые никак нельзя назвать не только идеально гладкими, но даже просто гладкими. Даже слово „шероховатые“ может оказаться для них весьма лестным комплиментом. Конечно, эти поверхности нельзя использовать как зеркало для разглядывания собственного лица, но, глядя на эти поверхности, в них можно видеть отражение предметов, расположенных напротив нас
.В справочнике [1] указано, что „при условии
hcos i << l (h –
размеры неровностей, i – угол падения лучей, l – длина волны) будет зеркальное отражение“. Можно принять, что при этих условиях должно бытьhcos i < 0,1l
l ≈ 5·10-4 мм. При i = 88° cos i = 0,0349. Тогда получится, что 3,49 h < 5·10-3 мм, или
h < 1,43·10-3 мм. В действительности при i = 88° зеркальное отражение можно получить уже при h ≈ 0,1 мм. Для явления, называемого миражом или фата-моргана, которое будет кратко рассматриваться в конце статьи, значение h может быть, очевидно, ещё на порядок больше. Но речь дальше будет идти вовсе не о величине h, а о наличии нематериальной, но видимой плоскости отражения световых лучей при подобных значениях h и/или при величине угла падения i, близком к 90°. Для обнаружения указанной плоскости отражения мы будем смотреть на поверхности пластинок, расположенные относительно глаза примерно так, как показано на рис.1. На этом рисунке показан угол a = 90° - i.
Рис. 1. Зеркальное отражение лучей света от нематериальной, но видимой поверхности 2 при малых углах a.
1 – „отражающая“ материальная пластинка, например, с сильно шероховатой поверхностью.
Поверхность 2 расположена над пластинкой 1.
На рис. 1 показана схема необходимого расположения подобной „зеркально отражающей“ пластинки относительно глаза. Угол
a, под которым видно отражение, небольшой, обычно порядка 1-5°, поэтому желательно зеркально отражающую пластинку возможно более приблизить к глазу. Верхняя поверхность пластинки, на которую (как нам кажется) падают световые лучи, и отражаются от неё, частично попадая в зрачок глаза, специально показана сильно шероховатой. То, что поверхность зеркального отражения появляется над пластинкой, особенно хорошо понятно, когда мы имеем дело с сильно шероховатой поверхностью (металлической) пластинки. Эта шероховатая поверхность по мере уменьшения угла a неожиданно перестаёт быть видимой. Вместо неё появляется гладкая отражающая поверхность, под которой неровности пластинки перестают быть видны.Убедиться в том, что поверхность зеркального отражения расположена именно над пластинкой, можно и в случае, если пластинка гладкая и выполнена, например, из плексигласа. В этом случае надо смотреть на дальний от глаза (или от объектива) край поверхности отражения (Фото 2). Яркий элемент отражённой картинки надо поместить рядом с ярким элементом фона, видимым непосредственно над пластинкой. Тогда мы можем убедиться, что оба ярких элемента (части ярких элементов) находятся над краем пластинки, и, следовательно, плоскость отражения находится именно над поверхностью пластинки. Создаётся впечатление, что плоскость отражения находится не только над поверхностью самого отражающего предмета, но и выступает за неё (за поверхность пластинки из плексигласа). Плоскость отражения прозрачна. То, что мы перестаём видеть поверхность самой отражающей свет пластинки, вызвано тем, что возникающее
Фото 2. Отражение, полученное с помощью пластинки из плексигласа при малых углах отражения света.
Пунктиром из белых точек показано примерное положение дальнего от объектива края пластинки. В правой части снимка над краем пластинки виден яркий фон – деревья, кустарники, и, чуть слева от середины снимка – часть вентиляционной трубы подземного гаража. Над трубой и слева от неё – тёмный задний фон. На этом тёмном фоне – над краем пластинки – видна часть яркого отражения здания
зеркальное отражение более яркое. Вследствие этого можно видеть полоску наложения достаточно яркого отраженного изображения на тёмный фон и полоску непосредственно видимого яркого фона над краем отражающего предмета (над краем отражающей свет пластинки).
Высоту расположения плоскости зеркального отражения над поверхностью пластинки можно оценить примерно в 1 – 2 мм.
(Эффект расположения отражающей поверхности над материальной поверхностью отражающего предмета – линейки – заметен и на фото 5. На нём видны кончики двух пальцев, держащих по бокам линейку. Линейка, как это видно на фото
5, имеет по всей длине одинаковую ширину. На фото же 6 кажется, что линейка имеет ступенчатую форму, и пальцы держат линейку именно в том месте, где ширина линейки ступенчато изменяется. Этот оптический обман явно является следствием того, что плоскость отражения лучей находится над поверхностью линейки.)Материал пластинок может быть самым различным. Наблюдать наличие нематериальной отражающей поверхности наиболее удобно именно при малых углах
a, так как в этом случае наибольшая часть
Фото 3. Пластина из картона. Показана часть пластины и фрагменты деревянной рамки, обрамляющей пластину.
зеркального изображения видна над краем материальной „отражающей поверхности“. Эффект зеркальности может быть сильно выраженным, и может быть совсем слабым. Остатки
эффекта можно наблюдать даже над поверхностью картона, шероховатость которого хорошо ощущается при проведении по нему пальцем и хорошо видна на фото
3. Хорошего изображения в этом случае не получишь, но при наличии ярких пятен можно получить на поверхности картона их отражение, нечто вроде лунной или солнечной дорожки на поверхности воды (Фото 4). И в этом случае создаётся впечатление, что эти светящиеся дорожки расположены над поверхностью картона.
Фото
4. Отражение яркого пятна в виде „солнечной дорожки“ на поверхности картона. Самый яркий ближний участок дорожки – отражение на поверхности деревянной рамки (см. фото 2).Дальний от глаза край пластинки, если пластинка достаточно длинная, кажется почти всегда лучше отражающим, чем ближний. Это из-за меньших значений угла
a вдали от глаза или от объектива.
Фото
5. Двутавровая пластмассовая линейка, использованная для получения фото 5.Её поверхность явно не похожа на зеркальную.
Если взять в качестве отражающей пластины линейку(Фото
5), расположенную вдоль направления„взгляда“ объектива, то легко можно получить на дальнем краю пластины относительно хорошее зеркальное отражение. В это же время часть пластины, находящаяся вблизи от глаза (или от объектива фотокамеры), кажется совершенно не зеркальной (Фото
6).Все вышеприведенные фото сделаны с помощью фотокамеры мобильного телефона.
Вышеописанное легко может наблюдать и перепроверить каждый, используя находящиеся под рукой предметы, например, металлическую или плексигласовую линейку. Для наблюдения лучше использовать яркий солнечный день. Наблюдателю при этом лучше находиться в помещении или под навесом.
Волна или частица?
Самое интересное в описанном эффекте то, что он позволяет сказать нечто новое о сущности света.
Фото
6. Дальний от объектива край пластинки всегда лучше отражает изображениеВо-первых, возникает вопрос: может ли волна отражаться, не доходя до материальной поверхности отражения? Даже если считать, что свет является
электромагнитной волной, всё-таки вряд ли кто-то сможет объяснить, как волна может отразиться от материальной поверхности, не доходя до неё на расстояние, превышающее 1.000 длин волны? (Длина „волны“ видимого нами света около 5·10
-4 мм). Ещё труднее объяснить, как электромагнитная волна может отразиться от нематериальной или, другими словами, от несуществующей поверхности, в которой, конечно же, не может индуцироваться электрический ток, способствующий отражению электромагнитной (световой) волны.Во вторых: в месте отражения, в случае прозрачной среды, волна по волновой теории должна не только отразиться, но и преломиться и продолжить свой путь за обратной стороной от плоскости отражения. Но может ли нематериальная плоскость отражения света быть причиной его преломления? И возможно ли подобное с точки зрения волновой теории света?
На эти вопросы пока трудно ответить. Для того, чтобы ответить на часть из них, надо было бы провести дополнительные эксперименты. Чисто же теоретически с точки зрения волновой теории света, как механической, так и электромагнитной, некоторые из этих вопросов ставят в тупик.
При попытке рассматривать относительно яркие предметы сквозь обычное оконное стекло (сквозь плоско-параллельную пластину) выясняется, что при угле между направлением взгляда и поверхностью стекла близком к нулю, предмета не видно. Но так как при подобном наблюдении яркость видимых предметов нарастает по мере увеличения угла между направлением к предмету и плоскостью стекла, то с уверенностью сказать, что при угле, например, менее 2° яркость предмета практически равна нулю, можно только при условии применения достаточно точных (высокочувствительных) приборов. Но и в этом случае надо будет различать преломление света материальной поверхностью стекла от возможного гипотетического преломления вышеописанной нематериальной плоскостью отражения, которое должно иметь место по волновой теории в том случае, если свет является волной.
Сказать, что на основе наличия эффекта отражения света при больших углах отражения (при малых углах
a) от нематериальной поверхности, расположенной над материальной поверхностью, волновая теория света становится неприемлемой, конечно, трудно. При стольких известных доказательствах волновой природы света для этого нужна невероятная смелость. Так как другой альтернативы, кроме „волна“ или „частица“, для описания сущности света пока не существует, осталось бы предположить, что свет является потоком частиц.Интегральное (суммарное) воздействие элементов
поверхности на лучи (частицы) света
С другой стороны, совершенно ясно, что свет (частицы света) при этих углах падения отражается не очень малым элементом поверхности, а множеством малых элементов, расположенных вблизи кажущейся нам геометрической точки отражения. То есть, имеет место суммарное, интегральное воздействие множества элементов поверхности, расположенных вблизи кажущейся нам геометрической точки отражения, на луч (на частицу) света. При этом геометрические размеры этих элементов должны значительно превышать размеры элементов неоднородности, вызывающих отклонение от абсолютной гладкости отражающей материальной поверхности, иначе сказывалось бы влияние неоднородностей, шероховатостей.
Само же это воздействие является дальнодействующим, т.е. бесконтактным, по той же самой причине. Следовательно, мы должны предположить наличие каких-то сил, действующих на лучи (частицы) света со стороны материальной отражающей поверхности.
Доказательством наличия как дальнодействия, так и интегральности воздействия большого числа элементов отражающей поверхности на лучи света является и фото 5. При больших углах отражения (при малых углах
a) луч (частица) света дольше находится в зоне достаточно сильного воздействия элементов поверхности, или, другими словами, взаимодействует с большим количеством ближе расположенных элементов отражающей поверхности, чем в случае большего угла a, и потому больше проявляется эффект зеркальности. Поэтому при меньших значениях a зеркальность проявляется в большей мере, изображение выглядит лучше.Обнаруженная нематериальная поверхность отражения
световых лучей могла быть обнаружена 300 лет назад
В те времена, когда разгорелся спор „волна“ или „частица“, Ньютон [2] утверждал, что при отражении частицы света отталкиваются отражающей поверхностью (фото
7).Одной из причин необходимости наличия сил отталкивания заключалась по мысли тогдашних ученых в том, что частицы света очень маленькие, а любая, даже хорошо полированная, поверхность слишком шероховата, чтобы дать идеальное отражение. Отсюда должен был следовать вывод, что в случае хорошего зеркального отражения лучи света должны отражаться, не доходя до шероховатой поверхности, служащей зеркалом.
Фото
7. По Ньютону ([2], стр. 639) луч света отталкивается отражающей поверхностьюДругими словами, частицы света должны были зеркально отражаться, не доходя до неоднородностей
отражающей поверхности. Частица света должна отражаться не от точки и не от очень малого элемента поверхности, который как раз и может быть элементом неоднородности, а от гораздо большего участка поверхности, который в среднем уже может считаться достаточно гладким. Отражение должно осуществляться не очень малым элементом поверхности, а суммой малых элементов поверхности, расположенных вокруг кажущейся точки отражения. Только вследствие этого суммарного или интегрального воздействия элементов поверхности на частицы света её отражение может быть зеркальным. И вследствие этого же, вследствие существования идеального отображения предмета (картины), отражение каждого луча света должно произойти до соприкосновения частицы света с материальной плоскостью зеркального отражения, до контакта луча света с веществом отражающей поверхности.
То есть над материальной поверхностью зеркала должна была бы находиться некая нематериальная плоскость отражения световых лучей, расположенная в пространстве над материальной „зеркальной“ поверхностью.
Был ли во времена Ньютона сделан такой вывод, мне неизвестно. А если был, то должна была бы сделана попытка определить расстояние между кажущейся зеркальной поверхностью и его материальной основой – хотя бы теоретически.
В те времена было сделано также предположение, что при преломлении частицы света притягиваются преломляющей поверхностью, в результате чего свет внутри вещества должен был иметь ещё большую скорость, чем снаружи, что оказалось неверным. Причина этих противоположных предположений понятна. Так как имеет место не только (зеркальное) отражение света, но и прохождение света через прозрачные среды, где предположение об отталкивании частиц света уже не проходило, так как частицы света в этой ситуации даже не могли бы коснуться прозрачного тела, и, следовательно, не могли бы в него войти. Вследствие этого оставалось предположить притягивание частиц света при его преломлении или хотя бы отсутствие достаточно сильного отталкивания
.Но в результате этого возникало непреодолимое противоречие. Совершенно ясно, что частицы света не могут одновременно притягиваться и отталкиваться поверхностью предмета.
Волновой теории света не понадобилось утверждение о том, что преломляющая среда притягивает или отталкивает луч света. Но нужно сказать, что эта теория просто-напросто обошла вопрос о недостаточной гладкости поверхности тела и возможной величине частиц, образующих световую волну. Волны океана состоят из совместно движущихся молекул (частиц) воды, звуковые волны состоят из колеблющихся молекул воздуха. И световые волны должны состоять из каких-то частиц. В мире всё дискретно. Непрерывность математической функции, описывающей волну, является только абстракцией.
Обнаруженный эффект вызывает новые
трудности в объяснении сущности света
При объяснении того, почему поверхность отражения не совпадает с материальной поверхностью отражающей среды, тогдашняя идея об отталкивании частиц света, весьма физичная, могла бы снова пригодиться. Но как преодолеть возникающее противоречие?
Если исходить из идей, изложенных в частях 1 и 3 монографии [3], то можно придти к выводу, что свет состоит из двух родов частиц. Можно было бы предположить, что одни из них отталкиваются от поверхности тел, не доходя до них, а другие могут преломиться и войти внутрь прозрачного тела. Но
при этом возникают противоречия, прежде всего, количественного характера. В этом случае интенсивность отражённого и преломленного луча всегда были бы равны друг другу. Действительная же зависимость намного сложней.Непонятно появление определённого расстояния между поверхностью пластинки и плоскостью зеркального отражения, тем более, что в этом процессе участвуют лучи света, имеющие различный наклон к плоскости отражения. Появление самой плоскости зеркального отражения в пространстве над пластинкой, причём состоящей из ничего, кажется чем-то мистическим. (Таким же мистическим казалось учёным наличие сил мирового тяготения во времена Гука и Ньютона, так как эти силы тоже действуют бесконтактно, на расстоянии. Учёные того времени мечтали свести эти силы к силам контактного воздействия. В части 2 монографии [3] эту мечту тогдашних учёных удалось осуществить. Этим самым ещё более укрепляется убеждение в том, что силы дальнодействия являются силами кажущимися. К силам дальнодействия относятся все электромагнитные силы). Обнаруженную нематериальную плоскость отражения световых лучей трудно назвать иначе, как воображаемой, не существующей. Но мы можем эту плоскость видеть, она вполне реальна, хотя у неё и нет материальной основы.
Надо бы найти идею (принцип), которая позволила бы вычислить расстояние отражающей поверхности до материальной поверхности пластинки. Если существуют силы отталкивания, то кажется естественным, что для лучей с различным углом падения должно меняться расстояние отражающей поверхности до поверхности пластинки, так как при этом меняется составляющая скорости света, перпендикулярная к поверхности отражающего свет предмета. То есть отражающая поверхность должна быть не бесконечно тонкой. Она должна иметь некоторую толщину.
Сами же силы взаимодействия между элементами поверхности пластинки и частицами света, это неизвестные нам силы. Это не электромагнитные силы, и, тем более, не гравитационные. Это хотя и силы „близкодействия“ с человеческой точки зрения, так как речь идёт о взаимодействии на расстояниях в несколько миллиметров, но это явно не контактные силы, поэтому по характеру проявления этих сил их надо назвать силами дальнодействия.
А так как силы дальнодействия противоречат здравому смыслу (см. [3], части 1 – 2) , то должны существовать какие-то дополнительные неизвестные нам частицы, вызывающие это кажущееся взаимодействие между частицами света и поверхностью пластинки. В случае монографии [3] ситуация была проще, так как там рассматривались силы, якобы действующие между материальными телами
. Теперь же речь идёт о силах, якобы действующих между веществом и светом. Если не говорить о силах тяготения, якобы действующих на свет по предположению Эйнштейна, то подобное до сих пор не было известно.Идея об интегральном взаимодействии элементов поверхности отражающей пластинки с частицами света бросает тень на объяснение фотоэффекта Эйнштейном [4]. По-видимому, нам надо сказать, что одиночная частица света, пусть даже она и называется квантом, в момент подлёта к поверхности металла взаимодействует с мириадами атомов, и потому не может передать всю свою энергию одиночному электрону.
Разумеется, если говорить, что лучи света или частицы света отталкиваются какими-то силами от материальной поверхности при малых углах
a (при больших углах отражения), то можно также предположить, что и волны света отталкиваются. Однако привлекательность волновой теории при этом явно уменьшается, так как имеет место отражение лучей света от нематериальной поверхности, или, точней, отражение от материальной поверхности на расстояниях в более чем 1000 длин волны, то есть отражение волны без соприкосновения с поверхностью отражения, что по волновой теории, очевидно, немыслимо. Если считать свет электромагнитной волной, то можно было бы говорить о том, что волна не доходит до отражающей поверхности на расстояния, сравнимые с длиной волны, но никак не о расстояниях, сравнимых с тысячью длин волн. Вследствие этого привлекательность теории частичек света (корпускулярной теории), конечно, увеличивается.Что такое Фата-Моргана?
Оптическое явление, называемое миражом или Фата-Моргана любят отождествлять с полным внутренним отражением лучей света в воздухе. Посмотрим, всегда ли это правильно. Возьмём для этого фотогра-фию метеоролога Бйорна Байера (
Bjцrn Beyer) из [5] (Фото 8). На ней изображена легковая машина, стоящая на (едущая по) кажущейся луже воды и отражение её в этой луже.Лужу и отражение в луже принято называть фатой-морганой или миражом, так как все знают, что никакой лужи на самом деле не существует – дорога
Фото 8. Фата-Моргана
сухая. Это оптическое явление объясняют тем, что у поверхности дороги воздух нагрет и потому оптически менее плотен. Луч света, переходя из более холодного и потому более плотного воздуха в более тёплый и менее плотный, испытывает полное внутренне отражение. В результате этого возникает отражение светлого неба в форме лужи и на нём отражение предмета (автомобиля).
Если в нашем случае взять температуру воздуха 20°C, а температуру поверхности дороги 70°C, то получится, что отражённый луч света должен составлять с поверхностью дороги угол не более, чем 0,5-0,6°. Высота автомобиля примерно равна 1,5 м. Тогда расстояние автомобиля до края лужи должно быть не менее 150 м. Чисто на глаз, глядя на фото 7, мы дадим от машины до края лужи не более 30-40м. Если же мы сравним шурину меток прерывистой разметочной линии (примерно 20 см) с видимой шириной автомобиля (примерно 2 м), а затем учтём, что расстояние между метками не более 4 м, то мы получим расстояние до машины не более 80 метров. Следовательно, расстояние от машины до края лужи действительно не более 40 м. Угол же отражённого луча с поверхностью дороги в пределах „лужи“ составит не менее 2,15°. Это явно не подходит для чисто атмосферного явления. Угол полного внутреннего отражения здесь ни при чём. Объяснение же на основе эффекта наличия плоскости отражения световых лучей над отражающей поверхностью (дороги) при больших углах отражения (при малых углах
a) – очень даже подходит.Почему же указанные миражи наблюдаются преимущественно именно в тёплое время года? Возможно, что температура поверхности дороги влияет на её светоотражающие свойства.
Резюме
При больших углах отражения света, примерно от 85° и больше, можно увидеть и фотографически запечатлеть наличие нематериальной поверхности отражения лучей света, расположенной над материальной поверхностью отражающего свет предмета. Чётко видимые невооружённым глазом неровности „отражающей свет поверхности“ перестают при этом быть видимыми. Этот эффект доказывает интегральное (суммарное) взаимодействие многих элементов поверхности, расположенных вблизи кажущейся точки отражения вдоль луча света, с частицей или с лучом света. Это взаимодействие вызвано неизвестными нам причинами. Обнаруженный эффект трудно объяснить на основе волновой теории света, так как свет отражается, не доходя до материальной поверхности предмета, отражающего свет, на расстояние, превышающее 1000 длин волны. Обнаруженный эффект является в некоторых случаях причиной появления миражей.
Литература:
1. Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич, Справочник по элементарной физике, стр. 187, изд-во “Наука”, Москва, 1974.
2. O. Höfling, Physik, Band II Teil 2, стр. 639 – 641, Dümmler, Bonn 1986
3. J. Kern. Enträtselung der ewigen Naturgeheimnisse, Verlag Alfabet, Stuttgart, 2007
4. A.Einstein, Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Annalen der Physik, Band 17, S. 132-148, V
erlag von Johann Ambrosius Barth, Leipzig, 19055.
http://www.top-wetter.de/lexikon/f/fatamorgana.htm|
|
 |
