Експерименти от първи порядък използващи фотодиоди

Светоносният етер

До началото на XX век, във физиката господства възгледа за съществуването на т.нар. светоносен етер (luminiferous aether). Аристотел го нарича квинт есенция (пети елемент) и изтъква, че от него са изградени останалите четири елемента, които съставляват материалния свят – огън, въздух, вода и земя. Забележете приликата със съвременното понятие за четирите агрегатни състояния на материята – плазма, газообразно, течно и твърдо състояние. За разлика от другите четири елемента, за етера ние (човеците) нямаме сетиво. Затова физическото му доказване е толкова трудно. Това е съвсем разбираемо, като се има предвид, че цялата съвременна наука е построена в зависимост от нашия сетивен опит и нашите способности да възприемаме света около себе си, използвайки сетивата, с които Творецът ни е дарил. Разглеждането на концепции, които не са базирани на нашата сетивност, ни изважда от полето на естествените науки и ни отвежда право в царството на мистиката и окултизма [16].

Схващането за етера се възражда за науката през XVI век, още във времената на René Descartes и Galileo Galilei, като достига епогея си през XIX век. Практически всички големи учени във физиката от тази епоха са етеристи. Основната парадигма залегнала в тогавашното научно познание е, че етера изпълва цялата стационарна вселена и естествените вълнообразни вибрации на тази среда представляват електромагнитните вълни и в частност, светлината. Учените са убедени, че посредсвом етера, се осъществяват всички познати дотогава взаимодействия между обектите в материалния свят. Може да се каже, че за физиката от онова време, съвсем ествествено се формулират и две основни задачи, които тя се опитва да реши през целия тогавашен период. Първо, да определи чрез лабораторен експеримент, абсолютното движение на нашия свят, спрямо неподвижната етерна среда и второ, да конструира успешен теоретичен модел за тази среда. И двете задачи остават нерешени. На първата задача са посветени експерименти и теоритични разглеждания на много от големите имена на онази епоха, като Arago, Fresnel, Faraday, J. C. Maxwell, Fizeau, Airy, Lorentz, FitzGerald, Michelson, Morley. Сред теоритичните модели предлагани за описание на етера се открояват тези на Fresnel, Maxwell, Kelvin, Stokes, Lorenz и др. След нулевите резултати от всички експерименти опитващи се да засекат абсолютното движение на Земята и най-вече от експеримента на Michelson-Morley [12][13] (интерференционен експеримент от втори порядък, предложен от самия Maxwell през 1878 г., малко преди смъртта му, като самият той е убеден в съществуването на етера), концепцията за светоносния етер започва да девалвира и с настъпването на XX век бива отречена от съвременната физика.

Първи или втори порядък?

Преди да продължим по-нататък, нека да изясним какво се крие зад понятията експеримент от първи порядък и експеримент от втори порядък. Всички експерименти споменати досега се опитват да детектират абсолютното движение на нашия свят спрямо светоносния етерен океан изпълващ цялата вселена, използвайки някакъв оптичен или електромагнитен феномен. Това е съвсем логично, тъй като според тогавашните схващания имено електромагнитните вълни, и в частност светлината, представляват естествени трептения на самата етерна среда. Нека не забравяме, че през XIX век господства вълновата теория за природата на светлината и затова следващите разсъждения са възможни.

Както добре знаем, светлината се разпрострянява във вакуум, т.е. в пространство свободно от материя, със скорост c равна на 3*10⁸ m/s. При всички тези експерименти се отчита отношението на нашата скорост v към скоростта на светлината, т.е. отношението v/c. Ако в теоритичната постановка на опита v/c е от първа степен, то говорим за експеримент от първи порядък. Ако отношението е на втора степен, т.е. (v/c)², говорим за експеримент от втори порядък.

Още в онези времена е било добре известно от астрономически наблюдения, че Земята обикаля около Слънцето със средна скорост от 3*10⁴ m/s (30 km/s). Тогава, отношението v/c е равно на 0.0001, т. е 10^-4, докато (v/c)² е равно на 0.00000001, т.е. 10^-8. Ясно е, че (v/c)² ще бъде величина 10000 пъти по-малка отколкото v/c и следователно, при втората група експерименти, ще имаме огромно предизвикателство към точността на измервателната постановка.

Кога възниква отношението v/c и кога (v/c)²? За да отговорим на този важен въпрос трябва да отбележим следното. Още преди векове, на физиците е било известно, че нашият материален свят е изключително порьозен, т.е. материалният обем се състои предимно от празно пространство, където материята е концентрирана само в много малки обеми [5]. Дори и най-плътните материални тела са като паяжина в пространството. Този факт е потвърден блестящо в експериментите на британския физик Ernest Rutherford от началото на XX век [14]. В днешно време знаем, че тези малки обеми с материя са елементарните частици, от които е изграден нашият свят. И така, нека си представим, че движейки се равномерно в абсолютното етерно пространство със скорост v, включваме източник на светлина, която се разпространява със скорост c в етера, независимо от нашето движение. Тогава, за наблюдател в нашата движеща се отправна система, скоростта на светлината ще бъде c - v ако се движим в посоката на разпространение на светлинния лъч, или c + v ако се движим срещу лъча. Тогава имаме два основни случая на разположение на светлинния източник и на детектора в нашата отправна система, показани на следващата фигура.

Тук, L е разстоянието между източника и детектора в първия случай (горе) и разстоянието между източника (или детектора) и огледалото, във втория (долу). При първата постановка, времето за изминаване на разстоянието L от лъча ще бъде L / (c - v) или L / (c + v). Разликата между тези времена Δτ е функция от нашата скорост на движение v и е равна на:

Δτ = L / (c - v) - L / (c + v) ≈ 2L / c ⋅ v / c

където, след привеждането под общ знаменател и развиването на израза в Тейлоров ред [2] по степените на v/c, сме запазили само члена от първа степен, тъй като членовете от по-високи степени са пренебрежими спрямо него. Някои експерименти от първи порядък са изложени в [1][3][9][11][15].

При втората постановка, времето Δτ, за което лъчът изминава разстоянието до огледалото и обратно до детектора е:

Δτ = L / (c - v) + L / (c + v) ≈ 2L / c ⋅ (1 + v² / c²)

Вижда се, че при аналогични преобразувания като в горния случай, изразът се развива отново в Тейлоров ред, но този път членът от първа степен спрямо v/c е нула. Така, първият значещ член е (v/c)². Класически пример за екперимент от втори порядък е прочутият опит на Michelson-Morley [12][13].

Нашите експерименти

Тук ще демонстрираме резултатите от една наша идея, реализирана на практика като два отделни експеримента от първи порядък спрямо v/c. Опитите бяха проведени през 2007 г. Подобни проучвания са правени от гениалния български физик Стефан Маринов [10]. Важно е да споменем, че нашата идея се зароди съвсем спонтанно и не е вдъхновена от работата на Стефан Маринов. Следващата фигура демонстрира принципната схема на опитната постановка.

Тук S е източника на светлина, а P1 и P2 са два полупроводникови фотодиода, като диференциалната разлика в генерираните фототокове се усилва и отчита. При движението ни спрямо етера със скорост v, в зависимост от посоката на вектора на скоростта, би трябвало да възникне леко отместване на излъчения от светлинния източник общ сферичен вълнови фронт падащ върху двата фотодиода. Следователно, трябва да се наблюдава локално проявление на добре познатия в астрономията феномен звездна аберация (stellar aberration). Това от своя страна, трябва да доведе до разлика в двата фототока.

За монохроматичен източник на светлина използваме ярък червен светодиод със стабилизирано захранване, фотодиодите са BPW34, операционните усилватели са MCP6022, а за усилване на диференциалната разлика на фототоковете сме използвали инструментален усилвател AD623. Изходния сигнал се наблюдава на екрана на осцилоскоп. Всички параметри на веригата са подбрани така, че сигналът генериран от търсения ефект да е в диапазона от няколко волта, за да се регистрира сигурно. Цялата установка е поставена в метална екранирана кутия.

При втория вариант, пред светодиода е поставен тесен процеп, служещ за точков източник на светлина, който се проектира с помощта на малка леща върху два съседни фотодиода от матрица с общо 40 полупроводникови фотодиода, всеки с размер 0.8×0.8 mm. По този начин се постига пространствена кохерентност на излъчвания от източника светлинен фронт. За регистриране на изходния сигнал използваме същата електронна схема. Принципната диаграма на този вариант е показана по-долу.

Експерименталните установки се завъртат в различни посоки в пространството, за да се постигне промяна в ориентацията спрямо вектора на скоростта на движение v относно етера. И при двата експеримента резултатите са нулеви. Очакваният ефект на локална звездна аберация не се наблюдава.

Заключение

Разбира се, модерното обяснение за нулевия резултат от експериментите би следвало от айнщайновата теория на относителността. Но много по-интересно би било да се използват схващанията на класическата физика. Според нас, нулевите резултати се обясняват с хипотезата за увличането на етера от движещи се материални тела (aether drag) предложена през 1818 г. от Fresnel в писмото му до Arago [5] и потвърдена с експериментите на Fizeau [4], Airy [1] и Jones [7][8]. Без да влизаме в подробности, хипотезата на Fresnel гарантира, че абсолютното движение не може да се засече чрез лабораторен оптичен експеримент от първи порядък [6].

Литература

1. Airy G. On a supposed alteration in the amount of astronomical aberration of light, produced by the passage of the light through a considerable thickness of refracting medium, Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 20, pp. 35-39, 1871.
2. Bartsch H. Mathematische formeln, VEB Rachbuchverlag, Leipzig, 1984.
3. Cahill R. The Roland De Witte 1991 experiment (to the memory of Roland De Witte), Progress in Physics, Vol. 3, 2006.
4. Fizeau H. Sur les hypothèses relatives à l'éther lumineux, Comptes Rendus, Vol. 33, pp. 349–355, 1851.
5. Fresnel A. Letter from Augustin Fresnel to Francois Arago concerning the influence of terrestrial movement on several optical phenomena, The General Science Jurnal, 2006.
6. Janssen M., Stachel J. The optics and electrodynamics of moving bodies, Max Planck Institute for the History of Science, Preprint 265, 2004.
7. Jones R. Fresnel aether drag in a transversely moving medium, Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 328, pp. 337-352, 1972.
8. Jones R. Aether drag in a transversely moving medium, Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 345, pp. 351-364, 1975.
9. Marinov S. Measurement of the laboratory’s absolute velocity, General Relativity & Gravitation, Vol. 12, pp. 57-65, 1980.
10. Marinov S. The "wired photocells" experiment, Classical physics III, East-West, Graz, pp. 264-270, 1981.
11. Marinov S. New measurement of the Earth’s absolute velocity with the help of the "Coupled Shutters" experiment, Progress in Physics, Vol. 1, 2007.
12. Michelson A. The relative motion of the Earth and the luminiferous ether, The American Journal of Science, Vol. XXXIV, Art. XXI, 1881.
13. Michelson A., Morley E. On the relative motion of the Earth and the luminiferous ether, The American Journal of Science, Vol. XXXIV, No. 208, 1887.
14. Rutherford E. The scattering of alpha and beta particles by matter and the structure of the atom, Philosophical Magazine, Vol. 21, pp. 669-688, 1911.
15. Silvertooth E. Experimental detection of the ether, Speculations in Science and Technology, Vol. 10.1, pp. 3-7, 1986.
16. Steiner R. Die geheimwissenschaft im umriss, Rudolf Steiner Verlag, Dornach, 1985.