Девятая лекция. научные ошибки Френеля и Юма (стр. 4 )

Поскольку спины фотонов 1 и 4 направлены в одну сторону, то их траектории сближаются (рис. 7, а) и они оказываются в центре тени за проволокой, образуя светлую полосу (рис. 12). Аналогично ведут себя фотоны с противоположной циркулярной поляризацией (рис. 12, b). В результате в центре тени от проволоки образуется светлая полоса.

Вот что об этом писал О. Френель: «Из опытов, которые я провел, вытекает, что явления дифракции нельзя приписать только лучам, которые касаются тел, и поэтому следует предположить, что бесконечное множество других лучей, отделенных от этих тел заметными интервалами, тем не менее, оказываются повернутыми от своего первоначального направления и также участвуют в образовании каёмок». Описанное, при анализе рис. 12, подтверждает это тонкое наблюдение Френеля.

А теперь проанализируем теорию Френеля. Он считал, что при взаимодействии волн света, идущих от точечного источника, с краями проволоки (рис. 12) образуются вторичные волны, которые, пересекаясь, формируют дифракционные картины в тени проволоки. Для теоретического доказательства этой гипотезы он взял крайние точки проволоки в качестве центров и провел из них две окружности с радиусами, отличающимися на половину длины волны света (рис. 13). Отмечаем удивительное. В главном научном труде Френеля нет ниже приведённого рисунка, с помощью которого он получил свою формулу (11) и потом неправильно интерпретировал научную информацию, содержащуюся в ней [1].

Рис. 13. Схема, которой нет в книге Френеля

Свет движется от источника света касается краёв А и В (рис. 13) проволоки, где, по мнению Френеля, формируются вторичные волны, которые распространяются в виде сфер с радиусами и , длина которых отличается на половину длины волны света.

Уравнения световых окружностей он записал так:

, (6)

. (7)

Совместное решение этих уравнений даёт результат

. (8)

Пренебрегая квадратом длины волны ввиду того, что величина эта очень маленькая, он получил

. (9)

Следующий шаг Френель делает без каких-либо пояснений. Вместо радиуса сферы он ставит в уравнение (9) величину - расстояние от проволоки до экрана (рис. 13). Действие это, конечно, ошибочно.

. (10)

Чтобы формула (10) давала результат расчета расстояний между тёмными каёмками разных порядков, Френель ввел в неё коэффициент, который принимает значения и формула (10) приняла следующий окончательный вид

. (11)

Френель доказывал волновые свойства света с помощью математической модели (11), которую он использовал для расчёта расстояний между каёмками.

В табл. 2 приведены экспериментальные данные Френеля и результаты расчета по формуле (11). При этом диаметр проволоки равнялся 1 мм, а длина волны света - .

Таблица 2. Результаты опытов Френеля

Величина b, м	Порядок каёмки	Теория (м)	Эксперимент (м)
0, 592	2-й	=0,00092	=0,00096
0,592	3-й	=0,00153	=0,00161
1,996	2-й	=0,00310	=0,00323
3,633	1-й	=0,00188	=0,00188

Как видно (табл. 2), сходимость теоретических результатов с экспериментальными данными достаточно хорошая, несмотря на ошибочность процесса вывода формулы (11). Неправильно выведенная формула, дает правильный результат. Это значит, что существует правильный вывод этой формулы и наша задача найти его. Но прежде чем делать это, надо разобраться со всеми ошибками Френеля.

Нельзя не восхищаться тонкостями наблюдений Френеля и тщательностью измерений экспериментальных результатов, которые он получил. Однако, смущает отсутствие многих схем, как экспериментальных установок, так и - для проверки теоретических результатов. Устраним этот недостаток и покажем схему (рис. 13), из которой получена формула (11) для расчета параметров внутренних каёмок, формируемых проволокой.

1. Прежде всего возникает вопрос: почему волна, идущая из точки А (рис. 13), опережает волну, идущую от точки В, на половину длины волны ? Ответа на этот вопрос у Френеля нет. Далее, обратим внимание на то (рис. 13), что точка пересечения окружностей (точка М) должна иметь отрицательную координату , но в формуле (11) она положительная. Это тоже ошибка. Проверка вывода этой формулы, начиная с исходных уравнений (6) и (7), подтверждает положительную величину координаты , что явно противоречит исходным данным, приведенным на рис. 13. Непросто найти причину этой ошибки.

2. Какой критерий достоверности надо привлекать в сложных для понимания процессах движения разных материальных объектов? Главный критерий теоретической достоверности процесса движения любого материального объекта в пространстве - аксиому Единства пространства – материи – времени. Так как мы анализируем процесс движения в пространстве материального объекта – света, который мы представляем в виде расширяющейся сферы в пространстве и в виде расширяющейся окружности в плоскости, то процесс расширения сферы или окружности – функции времени. Поэтому решение этой задачи в плоскости надо начинать с составления уравнений, в которых координаты любой точки световой окружности были бы функциями времени. Для окружности с центром в точке А имеем (рис. 13):

(12)

Для окружности с центром в точке В уравнения будут такими:

(13)

Преобразуем уравнения (12) следующим образом:

; (14)

. (15)

Далее, возведем левые и правые части уравнений (14) и (15) в квадрат и сложим их. В результате, после преобразований, будем иметь

. (16)

Аналогичные преобразования проведем и для системы уравнений (14) и (15). В результате получим

. (17)

Приравнивая правые части уравнений (16) и (17), найдём

. (18)

Теперь, в формуле (18), которая совпадает с формулой (8), появился минус, что полностью соответствует положению точки (М) пересечения окружностей на рис. 13. Пренебрегая слагаемым ввиду его малости, получим формулу (9), заменяя в ней величину на величину , получим формулу (10). Вводя в эту формулу коэффициент Френеля и опуская минус, будем иметь окончательно формулу (11) Френеля для расчета расстояний между темными дифракционными каёмками в тени проволоки.

Обратим внимание на то, что в формуле (11) перед координатой стоит цифра 2. Она перенесена из знаменателя формулы (10) в левую часть, что указывает на то, что -это расстояние между двумя каёмками, симметричными относительно оси ОХ. Схема на рис. 13 не даёт нам право на такую интерпретацию, так как окружности (12) и (13) имеют одну точку пересечения в зоне экрана (рис. 13), расположенную ниже оси ОХ и формула (18) подтверждает это.

Таким образом, произвольная замена величины на величину , наличие лишь одной точки пересечения окружностей (12) и (13) в зоне экрана, а также отсутствие в формуле (11) минуса, лишают нас права использовать её для интерпретации результата эксперимента, согласно которой дифракционные картины за проволокой – следствие сложения волн света.