В статье рассматривается возможность абсолютных измерений вариаций силы тяжести (возможно, потенциала гравитационного поля) по адекватным отклонениям светового луча. Для измерения отклонений предлагается принципиально новое оптическое устройство – АГОН. Проведено несколько лабораторных экспериментов, подтверждающих гипотезу о гравитационном влиянии на луч света, обусловленную достоверностью полученных результатов, сопоставимых с реальными показаниями гравитационных датчиков.
Точность определения абсолютных значений силы тяжести современными баллистическими гравиметрами должна составлять первые единицы микрогалл. В большинстве баллистических гравиметров одно определение силы тяжести может включать несколько сотен бросков с последующим осреднением результатов. При такой методике статистическая оценка погрешности для разных приборов составляет от 1-2 до 3-5 мкГал, то есть она отвечает выдвигаемым требованиям. Однако, окончательные результаты определения g, выполненные одновременно в одном пункте несколькими абсолютными гравиметрами, обычно различаются между собой на 10-20 мкГал, что не соответствует статистическим оценкам. [1]
Для проведения абсолютных измерений силы тяжести требуется большое количество сложного вспомогательного оборудования, включая криогенное обеспечение, что затрудняет использование указанных гравиметров в полевых условиях. К недостаткам баллистических гравиметров можно добавить и длительность одного измерения (сотни независимых определений) притом, что автором обнаружены микрофлуктуации гравитационного потенциала с периодом менее минуты, что может приводить к неоднозначности и неопределенности результатов.
силы тяжести и отклонений светового луча
Первый эксперимент по установлению корреляции между относительными определениями силы тяжести и видимыми отклонениями светового луча был выполнен в 1980 г. Измерения производились в помещении постоянно действующей гравиметрической лаборатории в районе Севастополя. Координаты лаборатории: 44 градуса 37 минут северной широты и 33 градуса 19 минут восточной долготы. Все приборы были установлены на горизонтальной поверхности бетонного монолита официального гравиметрического пункта №1768. В эксперименте использовались: два устройства для измерения отклонений луча света, два серийных относительных гравиметра ГР-К2 "Дельта" №443 и №603, термографы, барографы, психрометр и специальная магнито-электрическая аппаратура. Ориентация устройств и гравиметров была выполнена в двух направлениях: юг – север и восток – запад, что обосновано результатами предварительных исследований.
Устройство для измерения относительных отклонений луча света состоит из неподвижно установленных, напротив друг друга, теодолита и зеркала. На объективе теодолита наклеена крестообразная визирная цель (марка), видимая в поле зрения оптики теодолита, направленного на зеркало (т.е. в зеркале видно отражение марки). Видимое смещение марки в течение некоторого времени, предположительно определяет величину отклонения светового луча в данный момент времени.
В эксперименте использовались теодолиты Т2 и ТЕ-В1 (МОМ), зеркала были взяты с навигационных инструментов - секстантов. Все приборы и инструменты прошли штатные поверки и юстировки. Кроме того, теодолит был дополнительно отъюстирован для выполнения поставленной конкретной задачи. В частности, для уменьшения люфта, была заменена смазка микрометрических винтов на более густую.
Для исключения температурных воздействий на приборы, в лаборатории поддерживалась постоянная температура 23 - 25 градусов с контрольной записью двумя термографами и записью температуры внутри гравиметров. Предварительные исследования влияния температуры на измеряемые отклонения луча света показали, что даже резкое изменение температуры на 10 – 12 градусов заметного влияния на отклонения не оказывало. Корреляция отклонений луча света с другими метеофакторами (атмосферное давление, влажность и пр.) так же не установлена.
Процесс измерения отклонений состоял из одного наведения перекрестия сетки нитей теодолита на видимое в зеркале изображение визирной марки, без перевода трубы через зенит (только по Кл), с последующим снятием отсчетов по отсчетному микроскопу при вертикальном круге. Отсчеты снимались с точностью до 0",1 со зрительной оценкой долей угловых секунд, путем двукратного сведения штрихов верньерных устройств, при ввинчивании и вывинчивании соответствующих микрометрических винтов (что позволило уменьшить влияние люфта винтов и мертвого хода отсчетного устройства) с последующим выведением среднего значения направления. Начальные направления случайные, порядка минус 2-х градусов. Следует отметить, что наведение перекрестия сетки нитей теодолита на видимое в зеркале отражение визирной марки осуществлялось без изменения положения оптической трубы теодолита, только вращением микрометрических винтов, что значительно уменьшило механическое воздействие на точность измерений.
Порядок считывания результатов измерений:
- отсчеты по теодолиту Т2;
- отсчет по гравиметру №603, включая температуру;
- отсчет по гравиметру №443, включая температуру;
- отсчеты по теодолиту ТЕ-В1.
Эксперимент продолжался трое суток подряд с 03 декабря по 06 декабря 1980 г. Отсчеты снимались непрерывно, через каждые 30 минут (плюс-минус минута) тремя разными исполнителями, посменно.
Погрешность измерения направлений двухсекундным теодолитом в полевых условиях (согласно техническим характеристикам прибора) составляет величину 2" – 3", а в лабораторных погрешность принято считать в 2 – 2.5 раза меньшей, т.е. около 1" – 2". Приведенная оценка погрешности измерения направлений адекватна ожидаемой величине размаха отклонений (по предварительным исследованиям автора - более 10"), составляя 10 % последней.
Статистическая обработка результатов измерений вариаций отклонения луча света и силы тяжести выявила наличие корреляции между ними (k = 0.52). Достоверно установлен суточный размах отклонений луча света в приземных слоях атмосферы около 10" и в течение трех суток – более 25" (угловых секунд)
Природа наблюдаемого эффекта пока остается неизвестной. Можно только гипотетически рассматривать влияния: вариаций гравитационного потенциала, фаз Луны, флуктуаций электромагнитного поля Земли и космологического воздействия, так называемого, фликкер-шума.
На этом исследования относительных измерений отклонения светового луча были приостановлены, возникла задача создания условий для абсолютных измерений в последующих экспериментах.
Поиск возможности измерения "абсолютных" (относительно горизонтальной плоскости) отклонений светового луча привел к единственно возможному (по мнению автора) решению – созданию уникального, двухстороннего, плоско-параллельного зеркала, которое можно было бы вращать вокруг вертикальной оси, ориентируя поочередно обе его зеркальные стороны по направлению к теодолиту. Сконструированное и в 1983 г. изготовленное зеркало, выполнено в виде стеклянного диска диаметром 150 мм и толщиной 20 мм. Основной задачей при изготовлении зеркала было обеспечение максимальной параллельности двух его плоскостей. По результатам приемки изделия (ОТК одного из предприятий, г. Казань) выяснилось, что удалось достичь расхождения плоскостей зеркала порядка 2". Паспортные данные зеркала: NA = 0.2 (кольца), ∆NA = - 0.2, NB = 0.2, ∆NB = - 0.2 и Q = 2". В месте наибольшей толщины диска нанесена риска, позволяющая ориентировать ось вращения зеркала так, что влияние непараллельности будет минимальным.
В настоящем эксперименте зеркало было свободно подвешено на тонкой нити двойной, встречной скрутки (L = 0,5 м). Силе принудительной закрутки нити препятствовал элементарный упор, расположенный у одного из краев зеркала. Нить позволяла вращать зеркало вокруг вертикальной оси, совпадающей с отвесной линией, проходящей через геометрический центр стеклянного диска. При этом углы наклона обеих сторон зеркала строго симметричны относительно горизонта и противоположно ориентированы, что при отсутствии отклонений светового луча, делало бы результаты измерений по двум сторонам зеркала идентичными по модулю (и разными по знаку), что на самом деле, практически никогда, не наблюдается.
Зеркало снабжено системой консольных противовесов, позволяющим производить тонкую настройку оптимального угла наклона зеркала с погрешностью ± 4" – 5". В данном случае этот угол был установлен около 3-х угловых минут, что значительно упрощает вычисления угла отклонения луча света и помогает исключать грубые промахи оператора.
Устройство для измерения отклонений луча света в вертикальной плоскости (АГОН) состоит из двух основных частей: точного (не хуже 2") угломерного прибора-теодолита
(использовался Т2 №109211, 1974 г.) с визирной целью и, находящегося напротив него уникального зеркала, в котором наблюдается отражение теодолита и визирной цели. Расстояние между осями вращения теодолита и зеркала равно 1.52 м, что близко к фокусному расстоянию используемой оптики. Визирная цель выполнена из капроновой нити белого цвета, толщиной около 0.015 мм, которая закрепляется строго горизонтально, по центру объектива. Видимое (через некоторое время) в поле зрения теодолита, смещение визирной цели "вверх – вниз" характеризует реальное отклонение светового луча и является предметом измерения. Ориентация устройства "теодолит – зеркало" с Севера на Юг (± 5° ). Теодолит был установлен на деревянном штативе, использующемся в геодезических работах.
Процесс измерения отклонений светового луча предусматривает двукратное "круг – лево" (Кл) и "круг – право" (Кп) снятие отсчетов по каждой стороне зеркала (стороны I и II), т.е. один полный прием измерения состоит из четырех наведений перекрестия сетки нитей теодолита на зеркальное изображение визирной цели (нити). После первых двух отсчетов с переводом трубы через зенит (Кл и Кп) по одной из сторон зеркала, последнее поворачивалось на 180 градусов и производилась вторая пара отсчетов (Кп и Кл) по другой стороне зеркала. Конкретной величиной отклонения луча света - Ω, в определенный момент времени, является алгебраическая полусумма средних значений угла по двум сторонам зеркала:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
До начала эксперимента были выявлены и устранены все артефакты, исследованы возможные ошибки, зависящие от конструктивных особенностей устройства, от влияния внешних условий (физических полей) и произведена оценка вероятной погрешности измерений.
Исследование влияний внешних условий (физических полей) производилось при, уже упомянутом, эксперименте (1980 г.) по измерению относительных отклонений светового луча.
Возможные конструктивные (механические) влияния на точность измерений исследовались непосредственно перед экспериментом. "Высыхание" деревянных штативов и "усадка" всех трущихся и вращающихся частей предусматривались естественным способом – "выдержкой" в течение шести месяцев. За это же время был проведен предварительный эксперимент (апрель – май 2003 г.) [2] и произведены все штатные и дополнительные поверки и юстировки инструментов, включая равномерное распределение смазки всех вращающихся частей теодолита. Дополнительно, были определены влияния на измерения углов отклонений луча света при "нарушении" (от оптимальных значений) следующих параметров зеркала:
- высоты подвески зеркала (на ± 6 мм);
- наклона зеркала (от 0 до 5 градусов);
- перпендикулярности зеркала и визирной оси (± 5 градусов);
- смещения визирной нити по высоте (± 2 мм) и
- времени затухания колебаний зеркала (на 1 минуту меньше оптимального).
Полученные при этом ошибки были (по отдельности) много меньше 1", что позволило не включать их в оценку точности (из-за возможного нарушения симметрии вычислений).
Вычисление угла отклонения луча света Ω, определяемое полусуммой средних отсчетов (по двум сторонам зеркала), позволяет исключить заданный угол наклона зеркала, который, согласно схеме хода лучей, входит составной частью (вместе с искомым отклонением) в каждый из двух средних значений отсчетов по одной из сторон зеркала (с обратным знаком).
Методика измерения угла отклонения луча света предусматривает двойное наведение на, видимую в зеркале, визирную цель при Кл и Кп по каждой стороне зеркала I и II (с использованием уровня при вертикальном круге) что, согласно геодезической науке, автоматически исключает все погрешности, связанные с несоосностью элементов оптики (включая визирную нить). При этом так же сокращается (исключается) и погрешность выведения визирной оси теодолита в горизонт. В итоге, остается суммарная погрешность горизонтирования, обусловленная только точностью визуального сведения концов пузырька уровня при вертикальном круге, которую можно оценить (по опыту геодезических работ и исследованиям автора) величиной ± 0",3.
Общая погрешность измерения отклонения светового луча МΩ состоит из: ошибки наведения на визирную цель, ошибки снятия отсчетов, ошибки горизонтирования и ошибки за непараллельность сторон зеркала. Использовался теодолит Т2, который обеспечивает погрешность измерения направлений, в полевых условиях, порядка 2-х угловых секунд. Принято считать, что в лабораторных условиях, при равномерном электрическом освещении визирной цели и нониусов теодолита и при обеспечении комфортных условий оператора (положение "сидя"), погрешность наведения mн в 2 – 2.5 раза меньше, т.е. ее можно принять ± 0".8. Погрешность отсчитывания теодолитом Т2 в лабораторных условиях mо считается тоже ± 0".8 [2]. Ошибка горизонтирования mг (по опыту работ) близка к ± 0".3. Погрешность от непараллельности сторон зеркала mп была сведена к минимуму при ориентации зеркала, когда риска на стеклянном диске находилась на диаметре, нормально расположенном к вертикальной оси вращения зеркала, что позволило воспользоваться паспортной погрешностью ± 0".2. Таким образом, инструментальная погрешность измерения одного направления МΩ, в нашем случае, составляет ± 1".2.
Так как ожидаемое отклонение луча света примерно 15" – 25", то МΩ, будучи меньше 10 % искомой величины, может считаться достаточной точностью для достоверного определения отклонений.
Измерительная лаборатория была оборудована в бетонном подвале (площадью около 3-х м2) в частном двухэтажном, каменном доме (толщина стен более 0.7 м), расположенном вдали от транспортных магистралей - ближайшая (с редким движением троллейбусов) на расстоянии порядка 300 м. Координаты лаборатории: 44˚ 36΄ Ρ.Ψ. и 33˚ 28΄ В.Д. (г. Севастополь). Для освещения визирной цели использовалась одна лампа накаливания (40 ватт), находящаяся от измерительных приборов на расстоянии около 1.5 м. Освещение измерительных шкал теодолита производилось одной цилиндрической (длиной 30 см) люминесцентной лампой "холодного свечения" (15 ватт), расположенной над теодолитом на высоте 30 см. Обе лампы включались только на время измерений (5 – 7 минут). Во все время эксперимента (55 суток) в лаборатории естественным образом сохранялась постоянная влажность (±2 %) и практически постоянная температура +20.5 ± 0.5 градуса Цельсия.
Измерения осуществлялись через каждые шесть часов по Киевскому времени (+ 2 часа к Всемирному времени) непрерывно в течение 55 суток, одним исполнителем – автором данной работы. Дополнительно, ко времени суток, кратному 6-ти часам, добавлялось 46 минут – поправка “истинного полдня”. Таким образом, измерения производились, например, в 12:46, 18:46 и т.д.
Штрихи на лимбе стеклянного круга теодолита Т2 нанесены через 10 угловых минут, цена деления отсчетного приспособления (охватывающего интервал 10 угловых минут) равна одной угловой секунде, что позволяет снимать показания с визуальной оценкой до 0".1. В данном случае показания снимались с округлением до 1".
Контроль измерений производится по разности Δ отсчетов Кл и Кп (аналогично месту зенита). В приведенном конкретном примере Δ = 80", куда входит и несовпадение визирной нити с визирной осью оптики.
На графике явно просматриваются несколько, резко отличающихся друг от друга, участков:
- период аномально высокой сейсмической активности (два землетрясения с магнитудой более 8) с 24.09.03 по 2.10.03;
- период релаксации гравитационного потенциала с 2.10.03 по 3.10.03, когда наблюдались отклонения со знаком плюс;
- не идентифицированный (пока) период экстремального отклонения с 18.10.03 по 25.10.03;
- резкий выброс отклонений "вверх и вниз" (возможно связанный с произошедшим после этого землетрясением М = 6.3) 10.11.03
- и периоды сравнительно "спокойного" гравитационного фона между указанными аномалиями. (с величиной отклонений светового луча в среднем от 0" до –25").
Т.е. "абсолютный" нуль показаний АГОНа определяется (без учета длиннопериодического приливного влияния и фликкер-шума) средней величиной отклонения около – 12".5, что может впоследствии быть использовано при градации существующих "абсолютных" гравиметров.
Таким образом, можно достаточно уверенно констатировать существование вариаций отклонения светового луча во времени, достигающие в размахе более 50". Следует отметить, что качественное совпадение графиков, определяющих вариации гравитационного потенциала, полученные другими специалистами, с представленным графиком, позволяет предположить гравитационное происхождение отклонения луча света.
Установлен вид графика, характерный для возможного прогноза землетрясений и соответствующий характерным графикам, полученным от сторонних специалистов, работающих с гравитационными датчиками (на основе крутильных весов). В процессе проведения эксперимента, однозначно "предсказано" землетрясение в Японии (25.09.03) с магнитудой более 8-ми, (предварительно – почти за трое суток и окончательно – менее чем за сутки). С прогнозом (только по времени) были ознакомлены сейсмологи в г. Алма-Ата, конкретно – Карим Хайдаров (E-mail: karim@mail.kz)
В результате проведенного эксперимента (и других, начиная с 1980 г.) установлено влияние на отклонения луча света не менее пяти факторов
: постоянное, систематическое отклонение вниз (около – 7".5), неизвестное влияние, связанное с сейсмологией (в 4 раза превышающее “обычный” фон), влияние фаз Луны, воздействие электромагнитного поля Земли и космологический фликкер-шум (с амплитудой до 10" и периодом от нескольких минут).Следует подчеркнуть, что измерение "абсолютных" отклонений луча света в вертикальной плоскости произведено впервые, что может означать создание принципиально нового устройства, предназначенного для измерения поперечных эффектов при распространении света.
Имеется возможность увеличения "чувствительности" АГОНа (почти на порядок). Важной особенностью предлагаемого устройства является возможность использования его (без всяких переделок) как “абсолютного” гравиметра.
Автору не представилась возможность сравнения представленного графика отклонений светового луча с реальными графиками, полученными при работе с баллистическими гравиметрами. Рекомендуемое последующее сравнение с официальными данными может быть расценено, как подтверждение работоспособности предлагаемых способа и устройства. Кроме того, сравнение графиков может быть использовано для определения дрейфа нуля в применяемых абсолютных гравиметрах.
Для однозначного, количественного подтверждения эффекта желательно провести дополнительные эксперименты (по возможности, синхронно в разных местах Земли) с разделением факторов влияния на луч света. Однако необходимо учитывать, что при проведении подобных исследований может наблюдаться иное распределение отклонений во времени, но с аналогичным статистическим результатом. Мало того, могут наблюдаться весьма значительные (до 40" и более) отклонения луча света, обусловленные периодическим совпадением (по
фазе) нескольких влияний, т.е., суммарным эффектом. Кроме того, в моменты затмений Луны и Солнца, так же могут наблюдаться аномальные отклонения светового луча.Следует добавить, что наличие реальных отклонений луча света с амплитудой в десятки угловых секунд не исключает достаточно точных научных и технических измерений (например, в астрономии и геодезии). Выработанная и используемая на практике методика "относительных" измерений и обработки таких измерений, позволяет эмпирически учитывать и минимизировать (или исключать), периодически возникающие, якобы "ошибки".
Автор чрезвычайно признателен Рухловой А.А. за техническую помощь в создании уникального зеркала, Астафьеву Н.Г. и Никитину А.Г. за материальное и техническое содействие в проведении эксперимента и Гнедому С.А., Грибановскому Е.К., Кобычеву В.В. и Щербине Л.А. за неоценимую помощь в рецензировании работы и подготовке текстовых и графических материалов.
1. Худзинский Л.Л. О погрешности абсолютных измерений силы тяжести, связанной с низкочастотными вибрациями "Вестник ОГГГГН РАН" №1(20)2002
2. Никитин Г.Г. Эксперимент по измерению отклонения луча света Тезисы докладов 2-я Харьковская конференция "Гравитация, космология и релятивистская астрофизика" 23 – 27 июня 2003 г.
3. Зданович В.Г., Белоликов А.Н., Гусев Н.А., Звонарев К.А. Высшая геодезия // М., Недра, 1970. Стр.349.