Аннотация: Фотон является элементарной деформацией оптической среды, подобной звуку, являющемуся элементарной деформацией акустической (например, воздушной) среды.
ГИПОТЕЗА О ПРИРОДЕ ФОТОНА И ЕДИНАЯ МОДЕЛЬ СВЕТА.
Введение. Если предположить непрерывность и повторяемость эволюции Природы, то ряд таинственных явлений микромира может быть раскрыт, стоит лишь подобрать для них аналоги в макромире.
По всем признакам свет принадлежит материальному макромиру. Он воздействует на органы чувств и существует независимо от них, свет материален, но его природа, скрыта в микромире и остается загадкой. Эта загадка может быть разгадана, если использовать подсказки макромира.
Макроскопический аналог света. Ближайшим понятным макроаналогом света представляется звук, который порождается, распространяется и воздействует в макромире, проявляя при этом дуальность и прочие атрибуты света. Звуковые воздействия на барабанные перепонки можно считать подобием оптических воздействий на чувствительные элементы глаз. Если системы восприятия звука и света подобны, то, возможно, подобны и источники воздействия на глаза и уши, и подобны принципы передачи этих воздействий через окружающую среду.
Природа звука не вызывает сомнений. Звуки раскладываются на последовательности импульсов продольных деформаций сжатия окружающей среды, как правило, воздуха. Деформации распространяются в воздухе - передаются, как эстафетные палочки от молекулы к молекуле, достигают барабанных перепонок и деформируют их. Эти внешние воздействия и воспринимаются органами чувств, как звуки.
Звуки относительно легко оцифровываются и представляются в виде графиков. Графики звуковых деформаций чувствительных мембран, подобных по физическим характеристикам барабанным перепонкам, можно разложить на последовательности импульсов разной амплитуды и продолжительности. Пример оцифровки речи приведен на рис.1:
Здесь показан результат оцифровки фразы "мама мыла раму". По горизонтальной оси откладывается время, по вертикальной - результат физического воздействия звука на упругую мембрану. Этот график отражает линейные деформации мембраны в результате внешних звуковых воздействий и последующие переходные процессы отработки деформации (затухающие упругие колебания). Отчетливо видно, что буквам соответствуют повторяющиеся последовательности импульсов и их отработка упругой мембраной.
Барабанные перепонки испытывают подобные последовательности деформаций.
Если растянуть по горизонтали представленный выше график, то его фрагмент будет выглядеть, как это показано на рис.2:
Из рисунка видно, как повторяются последовательности звуков (буквы), затем произносится следующая буква и тоже повторяется (тянется).
Импульсы, возбуждающие колебания мембраны, имеют разные амплитуды и продолжительности. Разные последовательности импульсов, очевидно, и воспринимаются, как разные буквы.
Музыкальные фразы имеют подобную структуру. Здесь различают низкие звуки, соответствующие относительно пологим и продолжительным импульсам, и высокие или резкие звуки, соответствующие более крутым и коротким импульсам .
Пологие импульсы при равной интегральной мощности соответствуют более медленному нарастанию амплитуды сигнала, это означает, что деформация барабанной перепонки растет с меньшей скоростью, что ее меньше травмирует.
Доплер провел многочисленные экспериментальные исследования зависимости воспринимаемой высоты звука от скорости сближения или удаления источника звука и слушателя. Полученный им результат, называемый эффектом Доплера, достаточно просто объясняется с помощью приведенных выше графиков. Источника звука деформирует воздух во всех направлениях с одинаковой скоростью, высота звука определяется этой скоростью. Если источник звука движется, то скорость его движения векторно складывается со скоростью деформации воздуха. Тогда в направлении движения будет распространяться более высокий звук, а в противоположном - более низкий, чем формируется источником.
Здесь следует отметить, что скорость деформации воздуха далеко не тождественна скорости распространения деформации в воздухе. Этот факт демонстрируется на примере простого пневмопривода, изображенного на рис.3:
Если источник деформации смещает правый поршень со скоростью vдеф, то соответствующая деформация воздуха со скоростью звука vзв передается на левый поршень, который начинает движение со скоростью vдеф с задержкой, определяемой расстоянием между поршнями и скоростью звука.
Если источник воздействия на правый поршень движется со скоростью vист в направлении поршня и смещает поршень относительно себя со скоростью vдеф , то правый поршень будет перемещаться со скоростью vдеф+vист относительно воздуха и будет деформировать воздух с этой скоростью . Суммарная скорость правого поршня будут передана на левый поршень, но скорость передачи не изменится и останется равной величине vзв . Скорость передачи воздействий через среду зависит только от характеристик среды и не зависит от самих воздействий (при достаточной скорости передачи деформаций в среде).
Деформации продольного сжатия воздушной среды, передающие звук, не являются ни волнами, ни частицами. Но они могут воздействовать на окружающую среду и подобно волнам, и подобно частицам. Фронт распространения звука в изотропной атмосфере, очевидно, может иметь сферическую форму, характерную для волн. С другой стороны, существуют устройства, например, пневмоприводы, в которых сжатый воздух воздействуют подобно материальному телу.
Что такое фотон? Отсутствуют прямые доказательства наличия среды, способной передавать деформации сжатия в космосе. Но есть множество косвенных подтверждений этой гипотезы и отсутствуют даже косвенные противоречия.
Аргументами в пользу гипотезы подобия звука и света являются схожесть их процессов интерференции и дифракции, аналогии в проявлении эффекта Доплера, их волнообразное распространение и воздействия подобно материальным частицам и т.д. При этом неизвестно ни одного свойства звука или света, которое так или иначе не проявлялось у предполагаемого аналога.
С принятием гипотезы подобия оптики и акустики графики, изображенные на рис.1, 2, можно рассматривать, как масштабированные графики, описывающие воздействие света, распространяющегося, как продольные деформации сжатия светоносной среды.
Следует отметить, что продольные деформации сжатия характерны далеко не только для передачи звука в воздухе. Подобные процессы в твердых, жидких и газообразных макросредах изучаются рядом прикладных наук. В этих областях разработан достаточно мощный математический аппарат, который также может быть применен и для описания распространения света.
В рамках предлагаемой гипотезы элементарный фрагмент светового воздействия (фотон) можно представить, как импульс, схематично изображенный на рис.4:
где по вертикальной оси откладывается деформация "мембраны", способной улавливать воздействие отдельного фотона.
Фотон-импульс, подобно элементарному звуковому импульсу, характеризуется амплитудой и продолжительностью dt воздействия. Величину f=1/dt, обратную продолжительности воздействия фотона, можно назвать квазичастотой света. Свет не является периодическим процессом и потому не имеет частоты, но квазичастота, как и частота электромагнитной волновой модели света, характеризует жесткость или резкость воздействия, и потому этот параметр фотона имеет физический смысл.
Величина продолжительности воздействия фотона-импульса при равной суммарной мощности определяет цвет фотона, подобно тому, как продолжительность элементарного звукового импульса определяет высоту звука. Цвет оптического воздействия и высота звука определяются оптической или акустической энергией, выделяемой в единицу времени фотоном или одиночным звуковым импульсом соответственно.
Оптические фотоны имеют не фиксированные определенные значения продолжительности или квазичастоты, а непрерывный спектр. Это связано с нестабильностью излучателей фотонов и проявлением эффекта Доплера. Излучение даже калиброванных фотонов источниками, находящимися в непрерывном движении, приведет к формированию потока фотонов с распределенными квазичастотами вследствие эффекта Доплера. Кроме того, сами источники, например, атомы Солнца, могут излучать энергию в широком спектре квазичастот.
Распространение света, как последовательных передач деформаций между элементами светоносной среды, позволяет естественным образом объяснить объективные данные, кажущиеся противоречивыми. Каждое элементарное воздействие передается, вообще говоря, не по прямой линии, а ближайшему невозбужденному элементу или в направлении минимального сопротивления. В мощном потоке мириад фотонов осреднение приводит к практически прямолинейным лучам света. Но относительно слабые потоки света могут быть существенно не прямолинейным, о чем и свидетельствуют результаты экспериментов, которые не укладываются в теорию прямолинейно летящих фотонов-квазичастиц.
Таким образом, представление фотонов, как элементарных продольных деформаций сжатия, не имеет известных даже косвенных противоречий объективным данным и позволяет не только разрешить ряд вопросов, возникающих при объяснении результатов экспериментов, но и построить единую не дуальную модель света.
