Реферат: Измерения и контрольно-измерительная аппаратура

ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА


УДК 53.082.2; 53.082.5
ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ СКОРОСТИ СВЕТА

К.т.н. Ю.М.Галаев, Институт радиофизики и электроники им. А.Я.Усикова НАН Украины, г. Харьков



Предложены метод и устройство для измерения анизотропии скорости света в вязких средах. Изготовлено измерительное устройство и выполнена его экспериментальная апробация. Результаты испытаний сопоставлены с итогами предшествующих экспериментов. Показаны наблюдаемость, воспроизводимость и повторяемость эффектов анизотропного распространения света. Устройство может использоваться для изучения течения газов в трубах.


The method and device for measuring the anisotropy of the light speed in viscous mediums were proposed. A measuring device was manufactured and its experimental approbation was performed. The results of the tests have been compared to these of previous experiments. Observability, reproducibility and repeatability of the effects of anisotropic propagation of light have been shown. The measuring device can be used for research of gases current characteristics in tubes.


Введение. Считается, что окружающее пространство изотропно по отношению к оптическим явлениям. Равенство скоростей света для прямого и обратного направлений распространения является следствием второго постулата специальной теории относительности. Как отмечено в ряде работ, например [1,2], до настоящего времени этот постулат не нашел удовлетворительного экспериментального подтверждения. В работе [2] упомянуто высказывание А.Эддингтона, что эксперименты типа Майкельсона  Морли по существу регистрируют факт постоянства средней скорости света туда и обратно во всех направлениях и потому не имеют в строгом смысле доказательной силы по вопросу измерения изотропии скорости света и могут только косвенно свидетельствовать в пользу последней. В этой связи проблему оптической изотропии пространства можно отнести к ряду фундаментальных проблем физики, выделенных, например, в работах [3,4]. В работах [1,2] подчеркнута целесообразность проведения новых экспериментов с применением методов прямого измерения изотропии скорости света. В работе [2] показаны пока не преодоленные трудности на пути реализации известных идей методов прямого измерения.

Целью настоящей работы является разработка метода и устройства прямого измерения изотропии скорости света. Для достижения цели нужно решить следующие основные задачи: предложить рабочую гипотезу об оптических свойствах пространства; разработать методы расчета конструктивных параметров измерительного устройства и его метрологических свойств; выполнить испытания устойчивости метрологических свойств изготовленного измерительного устройства в натурных условиях; выполнить экспериментальное исследование изотропных свойств пространства вблизи земной поверхности; результаты исследования сопоставить с результатами предшествующих экспериментальных работ. Решение последней задачи позволит установить соответствие результатов исследования критериям наблюдаемости явления, его повторяемости в различных экспериментальных условиях, его воспроизводимости при использовании различных методов исследований и даст основание для оценки достоверности итогов работы.

При экспериментальном изучении распространения электромагнитных волн исследователи уже сталкивались с эффектами, которые могли быть объяснены как проявление анизотропии пространства. Так оптические эксперименты Д.Миллера, (обсерватория Маунт Вилсон, США, 1921 1926 гг.) показали наличие анизотропии величиной около 10 км/сек [57]. (Здесь и ниже величина анизотропии определяется отличием скоростей света для прямого и обратного направлений распространения.) Эксперименты Миллера, в силу их общефизического значения, привлекли большое внимание, однако в последующих экспериментах, например [811], результаты работ [57] не нашли подтверждения, что послужило веским основанием считать эксперименты Миллера ошибочными [12]. Исключение составил оптический эксперимент А.Майкельсона, Ф.Писа, Ф.Пирсона [13] (Маунт Вилсон, 1929 г) итоги которого показали величину анизотропии около 6 км/сек, что не противоречило результатам Миллера. В работе [14] сделано предположение, что возможной причиной неудачных попыток повторить опыты [57] явилось экранирующее действие металлических покрытий оптических путей интерферометров, примененных в экспериментах [811]. Отмеченные особенности потребовали более осторожного отношения к выводам работы [12] об ошибочности экспериментов Миллера, что в свою очередь вызвало интерес к их повторению. В работе [15] предпринята попытка повторить эксперименты Миллера в диапазоне миллиметровых радиоволн. Оказалось, что результаты систематических исследований не противоречат результатам оптических опытов Миллера.

Современное представление о свойствах пространства оформилось в рамках квантовой теории поля. Считается, что любая квантовая система имеет вакуумное состояние, когда энергия системы принимает наименьшее значение. Согласно принципу неопределенности только часть физических величин системы может иметь одновременно точные значения, остальные подвержены флуктуациям относительно некоторого среднего, что интерпретируется как рождение и уничтожение виртуальных частиц или виртуальных квантов данного поля. Виртуальные частицы участвуют во взаимодействиях, как и реальные, что проявляется в наблюдаемых эффектах. Поэтому вакуумное состояние, иначе именуемое физическим вакуумом, обладает всеми правами обычных физических состояний. Свойства физического вакуума определяют наблюдаемые свойства пространства, к которым, в частности, относят распространение электромагнитных полей [16,17].

Такое представление о свойствах пространства дает возможность предположить, что движение виртуальных частиц (движение физического вакуума) может приводить к анизотропии скорости света, как в классическом эксперименте А.Физо к анизотропии скорости света приводило движение реальных частиц [18]. (Физо измерил смещение интерференционных полос, образованных светом, прошедшим через трубку с текущей водой.) В качестве движения физического вакуума относительно наблюдателя можно рассматривать, например, движение в пространстве Земли или Солнечной системы. Преодолеть очевидные инструментальные трудности можно попытаться в рамках предположений о свойствах физического вакуума. Например, если считать, что вследствие взаимодействия виртуальных частиц физический вакуум обладает отличным от нуля значением вязкости, то можно предложить методы измерений, действие которых основано на известных закономерностях течения вязких сред. В качестве исходной рабочей гипотезы приняты следующие предположения: физический вакуум, как совокупность виртуальных частиц, является газо-подобной средой; физический вакуум, вследствие участия виртуальных частиц во взаимодействиях, обладает отличным от нуля значением вязкости; свойства физического вакуума определяют значение скорости света; относительное движение физического вакуума и наблюдателя приводит к анизотропии скорости света.

^ Метод измерения. В рамках исходной рабочей гипотезы, в экспериментах по распространению света можно ожидать наблюдение следующих эффектов. Эффект анизотропии  скорость света зависит от направления излучения, что обусловлено относительным движением физического вакуума и наблюдателя. Эффект высоты  величина анизотропии увеличивается по мере роста высоты над земной поверхностью, что может быть обусловлено, например, вязким взаимодействием потока физического вакуума с земной поверхностью. Гидродинамический эффект  скорость света в направляющих системах, например в трубах, зависит от параметров движения физического вакуума в таких системах.

В соответствии с целью исследования, метод измерения должен быть чувствителен к названным эффектам, а измерительное устройство не должно повторять схему интерферометра Майкельсона, что обусловлено как отмеченным выше замечанием Эддингтона, так и низкой чувствительностью такого прибора к эффекту анизотропии. Последнее является следствием самого принципа действия интерферометра Майкельсона, основанного на прохождении света в прямом направлении и возвратом его в точку наблюдения по одному и тому же пути. Так, в случае оптической анизотропии пространства, то, что луч света приобретает при распространении в прямом направлении, он почти все теряет при распространении в обратном направлении. В интерферометре Майкельсона измеряемая величина D  визуально наблюдаемое смещение полос интерференционной картины, выраженное числом полос, пропорциональна квадрату отношения величины анизотропии W к скорости света c, длине луча света l в измерительной части интерферометра и обратно пропорциональна длине световой волны  [19]

(1)

Методы измерений, в которых измеряемая величина пропорциональна квадрату отношения (W/с)2, получили наименование "методы второго порядка" [20]. Соответственно методы, в которых измеряемая величина пропорциональна первой степени отношения W/с, именуются "методы первого порядка". При ожидавшемся в экспериментах [19,21] значении величины W  30000 м/сек отношение W/с  1. В этих условиях методы второго порядка неэффективны. Так при W = 30000 м/сек методы второго порядка в 1104 раз уступают по чувствительности методам первого порядка и, например, при W = 200 м/сек это число достигает уже 1,5106. Следовательно, при сравнительно малых значениях величин анизотропии методы второго порядка практически нечувствительны к эффектам анизотропии. В таких условиях применимы только методы измерений первого порядка.

В настоящей работе для прямого измерения эффектов анизотропного распространения света предложены метод и устройство первого порядка действие которых основано на известных в гидродинамике законах развития течений вязких жидких и газообразных сред в трубах [22,23]. Принцип действия можно пояснить следующим. Поместим отрезок трубы в потоке газа так, что продольная ось трубы будет перпендикулярна вектору скорости потока. В этом случае оба открытых конца трубы находятся в одинаковых условиях по отношению к внешнему потоку газа. Перепада давления газа на концах трубы не возникает, и газ внутри трубы неподвижен. Теперь повернем трубу так, что вектор скорости потока газа направлен вдоль оси трубы. В этом случае скоростной напор газа создаст на концах трубы перепад давления, под действием которого в трубе развивается течение газа. Время развития течения газа в трубе и скорость установившегося течения газа определяются значениями кинематической вязкости газа, геометрическими размерами трубы и скоростью внешнего потока газа [22,23]. Важно отметить, что развитие течения газа в трубе, до установившегося значения скорости течения, занимает конечный отрезок времени. Рассмотренная идея дает возможность предложить метод измерения, чувствительный к анизотропии скорости света, и схему устройства для измерения величины анизотропии и кинематической вязкости физического вакуума. Так, согласно исходной гипотезе свойства физического вакуума определяют скорость распространения электромагнитных волн. Это означает, что скорость электромагнитной волны относительно наблюдателя является суммой векторов скорости волны относительно физического вакуума и скорости физического вакуума относительно наблюдателя. В этом случае, если построить оптический интерферометр, в котором один луч света проходит внутри полой трубы, а другой вне трубы, во внешнем потоке физического вакуума, и повернуть интерферометр

в потоке физического вакуума, то можно ожидать, что на протяжении времени установления в трубе движения физического вакуума должно наблюдаться смещение полос интерференционной картины относительно их начального положения. При этом величина смещения полос будет пропорциональна скорости внешнего потока физического вакуума, т.е. величине анизотропии скорости света, а время возврата полос к их начальному положению, будет пропорционально значению кинематической вязкости физического вакуума. Предложенные метод и устройство измерений являются методом и устройством первого порядка, поскольку не требуется возвращать луч света в исходную точку. Рассмотрим возможность их реализации.

Для описания движения физического вакуума в трубах воспользуемся математическим аппаратом гидродинамики, который развит в работах [22,23] для дозвуковых скоростей течений жидкостей и газов. Другими словами, в настоящей работе такое описание ограничено рамками следующего условия

(2)

где Ma = wpacs1  число Маха; wpa – средняя по сечению трубы скорость течения газа; cs  скорость звука в газе. При выполнении условия (2) можно пренебречь эффектами сжатия газа и рассматривать течение газа как течение несжимаемой жидкости. В гидродинамике различают ламинарное и турбулентное течения жидкости. Ламинарное течение существует, если число Рейнольдса Re, составленное для потока, не превышает критического значения Rec  [22,23]

. (3)

Число Re для круглой цилиндрической трубы определяется следующим выражением [22,23]

, (4)

где ap – внутренний радиус трубы;  = 1  кинематическая вязкость жидкости;   динамическая вязкость;   плотность жидкости. В зависимости от характера внешнего течения и условий втекания жидкости в трубу, значения величины Rec лежат в пределах Rec  2,3103…104. При Re < 2,3103 течение жидкости существует только как ламинарное и не зависит от степени турбулентности внешнего потока. Для установившегося в круглой цилиндрической трубе ламинарного течения жидкости характерны следующие признаки: траектории частиц прямолинейны; максимальная скорость течения жидкости wp max имеет место вдоль оси трубы и равна [22,23]

, (5)

где p  перепад давления на участке трубы длиной lp ; максимальная скорость течения жидкости wp max вдвое больше средней скорости течения жидкости

; (6)

распределение скоростей течения по сечению трубы описывается параболой Пуазейля

(7)

где r – координата вдоль радиуса трубы.

Переход ламинарного течения в турбулентное происходит скачком. Для установившегося в круглой цилиндрической трубе турбулентного течения вязкой жидкости характерны следующие признаки: траектории движения частиц имеют беспорядочный характер; распределение скоростей по сечению трубы почти равномерное с резким уменьшением их до нуля в тонком слое вблизи стенки; превышение максимальной скорости над средней порядка 1020%  [22,23]

(8)

Ниже показано, что в условиях эксперимента Re > Rec , поэтому в настоящей работе ограничимся оценками, выполненными для турбулентного течения физического вакуума.





Рис.1. Труба в потоке газа


На рис.1 показан отрезок круглой цилиндрической металлической трубы длиной lp , который находится в потоке физического вакуума. Направление потока обозначено тонкими наклонными линиями со стрелками. Продольная ось трубы расположена горизонтально и совместно с вектором скорости физического вакуума лежит в вертикальной плоскости, которую представляет плоскость рисунка. Будем полагать, что поток физического вакуума, действующий со стороны внешней поверхности трубы, не приводит в движение вакуум во внутренней полости трубы, поскольку эти части пространства разделены металлической стенкой трубы. (Здесь учтено упомянутое выше предположение Миллера об экранирующем действии металлических покрытий оптических путей интерферометров [14].) Горизонтальная составляющая скорости потока физического вакуума Wh , действующая со стороны открытого торца трубы, создает в трубе движение вакуума со скоростью wpa . Следовательно, металлическая труба является направляющей системой для потока физического вакуума. Повернем трубу в горизонтальной плоскости так, что ее продольная ось займет положение перпендикулярное плоскости рис.1 или, что аналогично  перпендикулярное вектору скорости физического вакуума. В этом положении оба открытых торца трубы находятся в одинаковых условиях по отношению к потоку физического вакуума, перепад давления p на отрезке трубы длиной lp равен нулю и в соответствии с выражением (5) скорость движения вакуума в трубе равна нулю. В момент времени t0 повернем трубу в исходное положение. В этом случае открытые торцы трубы находятся в разных условиях по отношению к потоку физического вакуума. Горизонтальная составляющая скорости Wh создаст на отрезке трубы перепад давления p, под действием которого в трубе будет развиваться движение физического вакуума. В работе [23] решена задача о приведении в движение покоящейся в круглой цилиндрической трубе вязкой несжимаемой жидкости под действием внезапно

приложенного постоянного перепада давления p. Выражение, описывающее распределение скоростей течения жидкости в трубе, имеет вид

×

×, (9)

где t – время; k – корни уравнения J0(k) = 0; J0, J1 – функции Бесселя нулевого и первого порядков. Первые два слагаемых в квадратной скобке выражают установившееся (при t  ) ламинарное течение жидкости и соответствуют упомянутой выше "параболе Пуазейля" (7). Поскольку при турбулентном течении жидкости, в соответствии с выражением (8), распределение скоростей по сечению трубы почти равномерное, то будем считать, что за исключением тонкого пристеночного слоя скорость течения жидкости по всему сечению трубы равна wpa . В этом случае, при r = 0, выражение (9) получит вид

×

× . (10)

Выражение (10) описывает развитие во времени движения жидкости в круглой трубе. Из выражения (10) следует, что при t   величина wp(t)  wpa . Разделим обе части выражения (10) на величину скорости установившегося течения жидкости в круглой трубе wpa . На рис.2 в качественном виде показано изменение во времени безразмерной скорости течения жидкости. По оси ординат отложены значения безразмерной скорости wp(t)/wpa , по оси абсцисс – времени t. В соответствии с исходной гипотезой, в рамках условия (2), далее будем говорить о течении физического вакуума, а не жидкости. На рис.2 выделим отрезок времени t0td , на протяжении которого безразмерная скорость изменяется от 0 до 0,95. Режим течения физического вакуума на отрезке t0td назовем динамическим. Режим течения при t > td назовем установившимся режимом течения.





Рис.2. Изменение во времени скорости движения

жидкости в трубе


Пропустим вдоль оси трубы луч света. Можно записать, что фаза световой волны на отрезке длиной lp изменится на величину 


(11)

где f – частота электромагнитной волны; V – скорость света в трубе. Согласно исходной гипотезе свойства физического вакуума определяют скорость распространения электромагнитных волн. Из этого следует, что если в трубе длиной lp существует поток физического вакуума, скорость которого изменяется во времени, то и фаза световой волны на отрезке трубы длиной lp, будет изменяться во времени в соответствии с изменением во времени скорости движения физического вакуума wp(t). Тогда выражение (11) получит вид

(12)

где c – скорость света в физическом вакууме, неподвижном относительно наблюдателя. В выражении (12) знак "+" применим, когда направление распространения света совпадает с направлением движения физического вакуума в трубе, а знак "", когда эти направления противоположны. Величина  (t) может быть измерена с помощью оптического интерферометра. В настоящей работе использована схема интерферометра Рождественского [24]. На рис.3 представлена схема интерферометра с трубой и показаны его основные узлы: 1 – осветитель; 2 – отрезок металлической трубы; 3 – окуляр со шкалой; P1, P2 – плоскопараллельные полупрозрачные пластины; M1, M2 – зеркала. Ход лучей показан толстыми линиями со стрелками. Один из лучей света проходит вдоль оси трубы и на рисунке показан пунктирной линией. Длина трубы lp  P1M2. Узлы P1, M1 и P2, M2 устанавливаются попарно параллельно.





Рис.3. Схема оптического интерферометра


M1, M2 устанавливаются друг относительно друга на малый угол. Углы i1, i2 – углы между нормалями к плоскостям зеркал M1, M2 и лучами, падающими на них. Расстояния P1M1 = M2P2 = l1, M1P2 = P1M2  lp . В классическом случае, если не учитывать движение физического вакуума, действие интерферометра сводится к следующему. Луч света с длиной волны  разделяется пластиной P1 на два луча, которые после отражения от зеркал M1 и M2 и прохождения пластины P2 оказываются параллельными с разностью фаз [24]

(13)

Углы i1 , i2 устанавливаются при настройке интерферометра так, чтобы в окуляре 3 наблюдалась интерференционная картина. (Узлы настройки на схеме условно не показаны.) В настроенном интерферометре величина  = const. В правой части рис.3 семейство стрелок обозначает движение физического вакуума со скоростью Wh . Если разместить узлы интерферометра на горизонтальном вращающемся основании, то такой прибор можно поворачивать в потоке физического

вакуума. Ось вращения перпендикулярна плоскости рисунка и обозначена как Ai .

Рассмотрим действие интерферометра с трубой (рис.3) в потоке физического вакуума. Положение полос интерференционной картины относительно шкалы окуляра 3 определяется разностью фаз лучей света, которые распространяются по путям P1M2P2 и P1M1P2 . На рис.3 поток физического вакуума направлен навстречу направлению распространения света вдоль лучей P1M2 , M1P2 . В этом случае, учитывая выражение (12), найдем разность фаз  (t) между лучами P1M2P2 и P1M1P2 .



, (14)

где   постоянная величина, значение которой определяется выражением (13). Упростим выражение (14). Для этого введем принятые выше обозначения. Тогда, принимая во внимание, что разность фаз лучей M2P2 и P1M1 не зависит от ориентации интерферометра по отношению к направлению потока физического вакуума и равна нулю, выражение (14) получит вид



. (15)

Первый член выражения (15) описывает изменение фазы луча P1M2 в зависимости от скорости движения физического вакуума в трубе wp(t), второй   изменение фазы луча M1P2 в зависимости от скорости внешнего потока физического вакуума Wh . Приведем выражение в фигурных скобках к общему знаменателю и, учитывая, что c2 >> Whwp(t)  cwp(t)  cWh , fс1 = 1 получим


. (16)

Из выражения (16) следует, что разность фаз  (t) между лучами P1M2P2 и P1M1P2 пропорциональна разности скоростей потоков физического вакуума wp(t) и Wh .

Рассмотрим действие интерферометра с трубой в установившемся режиме его работы, при t  . В соответствии с выражением (10) и рис.2  wp(t)t  wpa . Можно предположить, что вследствие малого значения динамической вязкости физического вакуума (небесные тела движутся без заметного сопротивления) скорость установившегося движения физического вакуума в трубе относительно малой длины не будет заметно отличаться от скорости внешнего потока физического вакуума и можно записать, что

(17)

Такое предположение в работе проверено экспериментально и показано ниже в разделе "испытание интерферометра". В этом случае, в выражении (16) множитель в квадратных скобках равен нулю, и выражение получает вид

(18)

Следовательно, действие интерферометра с трубой, в установившемся режиме работы, не отличается от действия интерферометра Рождественского. В обоих интерферометрах положение полос интерференционной картины определяется начальной разностью фаз  . Интерферометр с трубой, в установившемся режиме работы, не чувствителен к скорости движения физического вакуума, и с помощью такого устройства нельзя показать наличие или отсутствие оптической анизотропии пространства, обусловленного движением вакуума.

Рассмотрим динамический режим работы интерферометра с трубой. Развернем интерферометр в горизонтальной плоскости на 180o. Поскольку направление распространения света изменилось по отношению к направлению движения физического вакуума на противоположное, то выражение (16) примет вид

. (19)

В соответствии с выражением (10) и рис.2, на отрезке времени t0td имеет место неравенство wp(t) < Wh . Следовательно, в динамическом режиме работы, интерферометр с трубой чувствителен к разности скоростей внешнего потока физического вакуума Wh и движения физического вакуума внутри трубы wp(t). Найдем смещение интерференционной картины, относительно ее положения в установившемся режиме работы интерферометра. Величину смещения будем искать в виде числа полос интерференционной картины. Для этого возьмем разность выражений (19), (18), разделим обе части найденного выражения на 2

. (20)

Левая часть выражения (20) равна искомой величине смещения интерференционной картины, которое выражено числом периодов световой волны или числом полос D, поскольку изменению разности фаз на 2 соответствует видимое смещение интерференционной картины на одну полосу. Следовательно, выражение (20) описывает изменение во времени величины смещения интерференционной картины, выраженное числом полос D(t). Учитывая, что движение физического вакуума в трубе может иметь направление противоположное направлению, показанному на рис.3, то выражение (20) примет вид

. (21)

В выражении (21) знак "+" применим, когда в трубе, в динамическом режиме работы интерферометра, направление распространения света совпадает с направлением движения физического вакуума, а знак "", когда эти направления противоположны. В соответствии с выражением (10) и рис.2, в момент времени t0 = 0 скорость движения физического вакуума в трубе wp(t0) = 0. Тогда из выражения (21) получим, что в момент времени t0 смещение полос интерференционной картины, относительно начального положения, принимает максимальное значение, пропорциональное скорости внешнего потока физического вакуума Wh


(22)

а в установившемся режиме, когда согласно соотношению (17) wp(t)t = wpa  Wh , смещение полос равно нулю.

Покажем изменение во времени нормированной величины смещения полос интерференционной картины. Для этого разделим выражение (21) на (22). Учитывая соотношение (17) получим

. (23)

На рис.2 показано, что отношение величин wp(t)/wpa изменяется во времени в пределах от 0 до 1. В этом случае, в динамическом режиме работы интерферометра, изменение во времени нормированной величины смещения полос интерференционной картины D(t)/D(t0) будет иметь вид, представленный на рис.4. Рисунок 4 иллюстрирует сделанный выше вывод, что интерферометр с трубой, в динамическом режиме работы, чувствителен к скорости движения внешнего потока физического вакуума Wh , и с помощью такого устройства можно показать наличие или отсутствие оптической анизотропии пространства, обусловленного таким движением. Из рис.4 и выражения (22) следует, что если в момент времени t0 измерить величину смещения полос D(t0)





Рис.4. Смещение полос интерференционной картины в динамическом режиме работы интерферометра


относительно их начального положения на шкале окуляра интерферометра, то можно найти скорость движения физического вакуума Wh

. (24)

Выражения (22), (24) и рис.4 иллюстрируют реализуемость предложенного метода прямого измерения анизотропии скорости света, в котором не требуется, как в интерферометре Майкельсона, возвращать луч света в исходную точку. В выражении (22) измеряемая величина D пропорциональна первой степени отношения скорости физического вакуума (величины анизотропии) к скорости света (Wh /c). Следовательно, предложенные метод и устройство являются методом и устройством первого порядка для прямого измерения анизотропии скорости света.

Рассмотрим особенности построения измерительного устройства

^ Кинематическая вязкость физического вакуума. Согласно выражению (10) для вычисления параметров движения физического вакуума в трубах требуется представление о значении кинематической вязкости физического вакуума  . В свою очередь, сведения о движении физического вакуума в трубах необходимы для расчетов конструктивных параметров измерительного устройства и его метрологических свойств. Значение величины  оценим, исходя из предположения, сделанного в работе [4] о механизме образования фотона в результате колебания электронной оболочки возбужденного атома. Здесь же в качестве модели фотона предложена вихревая дорожка Кармана, что позволило автору работы [4] пояснить известные оптические явления. Воспользуемся этой идеей в том смысле, что распространение света представим как распространение турбулентных пульсаций в физическом вакууме. В работе [23] показано, что существование в объеме жидкости устойчивого пульсационного движения возможно, если число Рейнольдса не ниже некоторого критического значения равного

, (25)

где w – скорость движения жидкости; d – характерный размер обтекаемого тела. В работе [23] вычислено значение Recr  425. Применительно к решаемой задаче величины d, , и w,  это соответственно диаметр атома, кинематическая вязкость и скорость движения физического вакуума. Из выражения (25) найдем

(26)

Полученное таким образом значение кинематической вязкости физического вакуума назовем его вычисленным значением c . В качестве скорости движения физического вакуума w примем скорость смещения электронных оболочек атомов при излучении фотона. Будем полагать, что эта скорость по порядку величины равна скорости света w  c . Диаметр атомов, как известно, по порядку величины имеет значение d  1010 м. Тогда с помощью выражения (26) получим

м2с1. (27)

^ Оптический интерферометр. Для реализации измерительного устройства необходимо вычислить размеры трубы интерферометра. Радиус трубы ap может быть вычислен следующим образом. Разделим обе части выражения (10) на wpa и, учитывая, что в момент времени td (см. рис.2) отношение wp(t)/wpa = 0,95, получим

. (28)

Если ограничиться точностью оценок не хуже 7%, то ряд в выражении (28) можно заменить его первым членом. Подставим в выражение (28) численные значения величин k и J1(k) (для справки: 1 = 2,4048; J1(1) = 0,5191). Получим

. (29)

При вычислении радиуса трубы ap , длительность динамического режима работы интерферометра td выберем исходя из времени, которое требуется для выполнения визуального (или инструментального) отсчета значения смещения полос D. Положим в выражении (29) значение величины td  1 сек, а значение величины   c  7105 м2с1. Получим, что для построения интерферометра следует применить трубу с внутренним радиусом ap  0,01 м.

Длина трубы lp может быть найдена с помощью выражения (24) в котором под величинами D(t0)  и Wh будем понимать величины D min и Wh min соответственно, где D min  минимальное значение смещения полос

интерференционной картины, которое может быть отсчитано с помощью выбранных окуляра и шкалы; Wh min  минимальное значение скорости движения физического вакуума (величины анизотропии скорости света), которое требуется измерить интерферометром (чувствительность интерферометра). В этом случае можно получить

. (30)

Если положить в выражении (30) значения величин Dmin = 0,05, Wh min = 20 м/сек и применить источник света с длиной волны  = 6,5107 м, то требуемая длина трубы равна lp  0,49 м.

Схематический рисунок изготовленного интерферометра показан на рис.5 (вид сверху). Здесь сохранены обозначения основных узлов, принятые на рис.3. Дополнительно показаны: 4,5  узлы настройки интерферометра; 6,7 – стойки для крепления полупрозрачных пластин и зеркал;
^ Метрологические свойства интерферометра. Измеренное значение кинематической вязкости физического вакуума ea и результаты испытаний дают возможность уточнить метрологические свойства изготовленного интерферометра. Подставим в выражение (36) измеренное значение величины ea = 6,24105 м2c1. Получим, что вычисленные таким образом значения величин tm  0,93 сек и td  11,5 сек практически совпадают с их измеренными значениями tm  1 сек и td  10…13 сек. Следовательно, результаты испытаний интерферометра не противоречат представлениям о действии предложенного метода измерения и результатам расчетов метрологических свойств интерферометра, представленным на рис.8.

Для определения величины анизотропии Wh можно использовать измеренное значение смещения полос интерференционной картины в момент времени tm , когда D(tm) = max. Из выражения (36) получим

×

×

. (41)

Подставим в выражение (41) измеренные значения величин ea = 6,24105 м2c1 и tm  1 сек, значения конструктивных параметров изготовленного интерферометра и параметра расчета (число членов ряда k): ap = 0,0105 м; ah = 0,0367 м; lp = 0,48 м;  = 6,5107 м; k = 4. В этом случае выражение (41) получит вид

. (42)

Подсчитаем чувствительность интерферометра, к анизотропии скорости света, т.е. определим минимальное значение величины анизотропии Wh min , которое может быть измерено. В разделе "оптический интерферометр" отмечено, что минимальное значение величины Dmin , которое может быть отсчитано с помощью выбранных окуляра и шкалы Dmin = 0,05. Тогда с помощью выражения (42) получим, Wh min = 26,25 м/сек.

Определим режим течения физического вакуума в трубах изготовленного интерферометра при Wh = Wh min = 26,25 м/сек. Для этого с помощью выражения (4) подсчитаем минимальное значение числа Рейнольдса Remin для трубы с радиусом ap = 0,0105 м. Получим Remin  8838. В соответствии с условием (3) можно записать, что Remin > Rec . Следовательно, в трубах интерферометра возможен только турбулентный режим течения физического вакуума.

^ Методика измерений. Измерительный пункт расположен в 13 км от северной окраины гХарьков. На пункте оборудовано две позиции. На позиции №1 интерферометр устанавливался на высоте 1,6 м над поверхностью земли. На позиции №2 на высоте 4,75 м.

Наличие таких двух позиций требовалось для наблюдения "эффекта высоты". Измерения осуществлялись циклически. Длительность одного цикла 2526 часов. В течение одного месяца выполнялось 24 цикла. Каждый цикл содержал следующие процедуры. Интерферометр устанавливался на позиции, так чтобы плоскость его вращения была горизонтальной. После установки интерферометр выдерживался в новых температурных условиях в течение одного часа (прибор хранился в помещении). Разовый отсчет измеряемых величин выполнялся по следующей схеме. Продольная ось интерферометра устанавливалась вдоль меридиана, так что осветитель 1 был обращен на север. В таком исходном положении, в установившемся режиме работы интерферометра, наблюдатель регистрировал начальное положение полос интерференционной картины относительно шкалы окуляра. Этому начальному положению полос присваивалось значение величины D = 0. Затем наблюдатель менял свою позицию – занимал место у осветителя. Интерферометр поворачивался на 180o. Поворот выполнялся за время около трех секунд. При повороте движение физического вакуума в трубах прерывалось. Интерферометр переходил в динамический режим работы, который описывается выражением (36). В динамическом режиме работы интерферометра, наблюдатель отсчитывал максимальное значение смещения полос D(tm) и время возврата полос td к их начальному положению. По истечении времени td интерферометр переходил в установившийся режим работы и поворачивался в исходное положение. В течение времени одного измерения (до 10 минут) выполнялось 57 разовых отсчетов измеряемых величин. Среднее значение отсчетов принималось за измеренное значение величин D(Tm) и td , где Tm – среднее солнечное время измерения.

Обработка результатов измерений. Результаты измерений представлены в виде таблиц величин D(Tm). Эти данные использовались для вычисления значений анизотропии скорости света Wh . Вычисления выполнены с помощью выражения (42). Дальнейшая обработка включала в себя стандартные процедуры, принятые при обработке результатов эксперимента [26]. При этом вычислялись: изменение величины анизотропии в течение суток; среднее изменение величины анизотропии на протяжении эпохи года; среднеквадратические отклонения величины анизотропии от среднего значения W ; коэффициенты корреляции r между результатами различных экспериментов. Доверительные оценки средних значений вычислялись с надежностью равной 0,95 .

^ Результаты измерений. В соответствии с задачами исследования, результаты настоящей работы рассмо