Сплошные волнения

Какие бывают волны?

Продольные и поперечные. Самые привычные для нас волны – на море. Вверх-вниз, вверх-вниз. Это поперечная волна, потому что среда колеблется поперек направления бега волны. Волна бежит по морю вдоль поверхности, к берегу, то есть горизонтально, а частички воды согласованно колеблются в перпендикулярном направлении – вверх и вниз. Такая же волна образуется, если колебать привязанную к дверной ручке веревку.

А есть волны продольные. Там колебания среды, по которой распространяется волна, происходят вдоль направления бега волны. Наиболее наглядный пример – растянутая пружина, толкнув которую мы запускаем волну уплотнений и разрежений витков.

Воздушные волны как раз продольные, в них распространяются сгущения и разряжения упругих молекул воздуха.

Какие еще есть характеристики у волны?

Продольная и поперечная волны

Звуковая волна

Скорость! Мы про это уже говорили. Скорость зависит от среды, в которой распространяется волна. Чем она плотнее, тем выше скорость волны.

Еще одна характеристика волны – амплитуда! То есть высота волны. Амплитуда – характеристика мощности. Чем выше амплитуда, тем мощнее волна, что понятно.

Две волны с разными амплитудами

Еще одной важнейшей характеристикой является длина волны или ее частота. Длина волны – это расстояние между ближайшими гребнями поперечной волны (или соседними областями сжатия в волне продольной). А частота – количество колебаний в секунду. Частота измеряется в герцах. 1 герц – это одно колебание в секунду. 50 Гц – 50 колебаний.

Волны с разными частотами (длинами волн)

Длина волны и частота – обратные величины, что совершенно понятно: чем больше длина волны, тем меньше частота, и наоборот. У волны с огромной частотой длина волны крохотная.

Волна – это не вещество и не загадочное поле. Волна – это процесс! Процесс колебания частиц среды, в которой распространяются волны. При этом сами свойства среды физиков, изучающих волны, не особо интересуют. Это может их заинтересовать, только если указанные свойства среды влияют на распространение волн в ней. А так физиков-волновиков интересуют только свойства самих волн – как таковых. Им интересно, как волны преломляются, как они огибают препятствия, как складываются друг с другом или гасят друг друга.

Выясняется, что вне зависимости от того, какое именно вещество колеблется, то есть по какой именно среде передаются волны, у всех волн, как у физического процесса, наблюдаются одни и те же свойства.

И самыми известными из этих свойств являются дифракция и интерференция.

Что такое дифракция? Это способность волн огибать препятствия или проходить сквозь щели. И не спрашивайте меня, каких волн – водяных или воздушных. Любых! Потому что, повторюсь, волновая физика изучает свойства процесса, а не свойства среды, в которой процесс происходит.

Посмотрите внимательно на два рисунка ниже. На верхнем на стенку с дыркой набегает слева сплошной волновой фронт. На нижнем – лежит поток частиц. Видно, что волна имеет свойство после прохождения дырки расширяться веером. А частицы просто пролетают прямо.

У волн, в отличие от потока частиц, есть свойство «загибаться», то есть слегка огибать препятствие и проникать в область геометрической тени. То есть, казалось бы, в каком-то месте за препятствием колебаний быть не должно, но волна эдак аккуратно за препятствие заглядывает и бежит там, где должна была быть волновая тень, если бы волны огибать препятствия не умели.

Различие в поведении волн и частиц

Если вас и вашего начальника будет разделять небольшая гора, и он, поднатужившись, крикнет из-за горы, вы его услышите, хотя гора вас затеняет от звука. Это произойдет потому, что волны имеют свойство препятствия огибать. (Конечно, гора должна быть при этом не слишком велика, а то звук просто ослабнет из-за расстояния.)

Голос вопящего за горой слышен из-за дифракции

Теперь самым внимательным образом посмотрите на картинку ниже. Здесь волны не проникают через дырку в стенке, а огибают столбик, на который мы смотрим как бы сверху.

Волна огибает столб, давая полосчатый рисунок

Вопрос: почему после огибания препятствия за ним получилась какая-то полосатая зебра? Да потому что волны, с двух сторон обогнувшие края столбика, встретились и начали складываться и минусоваться друг с другом. Если горбик одной волны совпал с горбиком другой, получилась волна вдвое выше. А если горбик одной волны совпал с провалом другой, они погасили друг друга – горбик заполнил провал. Вот и получается – где-то двойные волны, а где-то волн вовсе нет.

Сложение волн друг с другом называется интерференцией. И в данном случае интерференция у нас получилась из-за дифракции, то есть из-за того, что волны разделились препятствием, обогнули его, чуть изменив направление, и встретились, начав складываться друг с другом и вычитаться друг из друга.

Разумеется, складываться и вычитаться могут только волны одной частоты, в науке их называют когерентными. А если частоты разные? Тогда сложения не будет, а будет независимый бег волн – как на море. Представьте себе, как по морю катятся большие валы волн, а по их поверхности распространяется мелкая рябь, которая никак не мешает накату больших волн. Это разные волны существуют параллельно и сложиться не могут. А вот если частота (длина волн) совпадают – тогда могут.

А теперь вообразите, что у нас неподалеку от берега есть два источника когерентных волн. Ну, как будто мы одновременно бросили неподалеку друг от друга два совершенно одинаковых камушка, породившие одинаковые волны. Или волна проходит через две одинаковые дырки в экране и порождает два пересекающихся «веера» волн.

Здесь толстыми линиями нарисованы бугры волн, а тонкими линиями – впадинки. Места, где встречаются бугры, обозначены кружочками одного оттенка, здесь из-за сложения высота суммированных волн будет вдвое выше. А места, где встречаются бугор одной волны и впадинка другой, обозначены другим оттенком – здесь волна гасится, бугор поглощается впадинкой, и волнения нет.

Но поскольку волны расходятся кругами, на берегу будет наблюдаться удивительная картина – в одних местах, куда подбегают удвоенные волны, будет сильный прибой. А между ними – тишина и спокойствие, никаких волн! Этакий странный пунктирный прибой.

Сложение когерентных волн

Необычайно хитрые физики XVIII века пропускали солнечный свет через маленькую дырочку в плотной занавеске на окне и получали тонкий солнечный луч. Который затем пропускали через две маленькие щели в черном экране. Свет, пройдя через щель, расширялся конусом, огибая препятствие в виде краев щели (дифракция), и, распространяясь конусом дальше, встречался с соседним, точно таким же конусом. И оба лучевых конуса начинали складываться и вычитаться (интерференция).

Схема эксперимента, проведенная физиком Юнгом. Переменной волнистой линией показана интенсивность света, падающего на экран. В серединке она максимальна, затем темное место, затем светлое и так далее

Получилась типичная волновая картина – дифракция и интерференция. Что это значит? Это значит, что свет – волна!

Значит, спор между Ньютоном, который считал свет летящими маленьким частицами-корпускулами, и его оппонентами, которые говорили, что свет есть волна, разрешился в пользу волновиков. Свет обладает свойствами волн, значит, свет – волны, а не частицы! Поток частиц не обладает свойствами дифракции, и частицы не могут складываться между собой.

Как тебе такое, Исаак Ньютон!..

Ученые определили и скорость световой волны в вакууме, то есть в пустоте, она оказалась равна 300 000 км/с. Это самая большая скорость на свете, быстрее ничего не бывает. В других материалах скорость света меньше. Так, например, в алмазе по сравнению с вакуумом она падает более чем вдвое и составляет 124 000 километров в секунду.

Стала понятна и сущность цвета. Помните дисперсию белого луча, которую отрыл Ньютон? Белый свет в призме разлагается на 7 цветов радуги, то есть является смесью семи разных цветов. Чем же эти цвета отличаются друг от друга?

Оказалось, только частотой (длиной волны) и больше ничем.

Посмотрите на табличку ниже. Там приведены для разных цветов длины их волн в нанометрах и диапазоны частот в терагерцах.

Семь цветов радуги в физическом выражении

Что это значит? Это значит, что если световая волна длиной в 550 нанометров попадает нам в глаз, нам кажется, что зелененьким посветили. Наш глаз – уникальный инструмент, он умеет определять частоту световой волны и сигнализирует нам об этом чувственным образом, который мы воспринимает как цвет.

Почему кирпич красный? И почему мы вообще видим что-то? Подсветка помогает! Световые волны падают на разные предметы, отражаются от них и попадают на два наших датчика, которые называются глазами. Если предмет, например, кирпич, поглощает все световые волны, кроме красного, а красный отражает, отраженный красный попадает к нам в глаз, и мы восклицаем, потирая руки:

– О! Волна частотой примерно в 450 терагерц пришла!

А почему черное кажется нам черным? Потому что черный предмет поглощает весь диапазон видимого света – и красное, и оранжевое, и желтое, и зеленое, и голубое, и синее, и фиолетовое. И ничего почти не отражает. Вот и выглядит черным, как черт.

А почему тарелка – белая?

А потому что вещество тарелки обладает таким свойством – отражать все падающие на него лучи. И они все попадают нам в глаз. А смесь всех лучей – это белое.