А почему после огибания препятствия там 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 эта интерференция у нас получилась из-за дифракции, то есть из-за того, что волны разделились препятствием, обогнули его, чуть изменив направление, и встретились друг с другом, начав складываться друг с другом и вычитаться друг из друга.
Волна огибает столб, давая полосчатый рисунок
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. Эти разные волны существуют параллельно и сложиться не могут. А вот если частота (длина волн) совпадает — тогда могут.
В физике складывается только то, что может сложиться. Бесполезно складывать пять яблок и три трактора, у вас все равно будет пять яблок и три трактора. А вот пять яблок и три яблока сложить можно — получится 8 яблок. Не так ли? Этим физика отличается от математики. В математике складываются голые цифры, а в физике — вполне конкретные величины. Поэтому мой вам хороший совет: когда вы станете академиком в области физики, всегда обращайте внимание на единицы измерения того, что складываете. А то еще сложите по забывчивости килограммы с метрами или вольты с амперами, греха не оберешься. За такое и Нобелевскую премию могут сразу отнять! Потому как это все равно, что в математике на ноль разделить — за подобное математики сразу убить могут.
А теперь вообразите, что у нас неподалеку от берега есть два источника когерентных волн, то есть тех, которые могут складываться — с одной частотой. Ну, как будто мы одновременно бросили неподалеку друг от друга два совершенно одинаковых камушка, породившие одинаковые волны.
Картинка того, как они будут складываться, нарисована ниже.
Здесь толстыми линиями нарисованы бугры волн, а тонкими линиями — впадинки. Места, где встречаются бугры, обозначены черными кружочками, здесь из-за сложения высота суммированных волн будет вдвое выше. А места, где встречаются бугор одной волны и впадинка другой, обозначены белыми. Здесь волна гасится, бугор поглощается впадинкой, и волнения нет.
Сложение когерентных волн
Но поскольку волны расходятся от упавших камней кругами, на берегу будет наблюдаться удивительная картина — в одних местах, куда подбегают удвоенные волны, будет сильный прибой (лучи распространения показаны желтым). А между ними — тишина и спокойствие, никаких волн! Этакий пунктирный прибой.
Волновые лучи — результат сложения круговых волн из двух источников возбуждения. Прелестно!
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 распространялся конусом дальше, встречался с соседним, точно таким же конусом. И оба лучевых конуса начинали складываться и вычитаться (интерференция).
Схема эксперимента, проведенного физиком Юнгом. Внизу волнистой линией показана интенсивность света, падающего на экран. В серединке она максимальна, затем темное место, затем светлое и так далее.
Получилась картина нам уже знакомая — дифракция и интерференция. И 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 есть волны, а не частицы! Поток частиц не обладает свойствами дифракции, и частицы не могут складываться между собой.
Как ведут себя волны и как частицы.
Набегающие на отверстия волны и частицы
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 открыл 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 Тетрагерцах.
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 воспринимаем 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 тетрагерц пришла!
Почему красное — красное?
Нет, не так. Все наоборот!
Как только волна с частотой примерно в 450 тетрагерц попадает к нам в глазищи, мы радостно восклицаем:
— О! Красненьким запахло!
Я ничего не перепутал?..
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 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.
Теперь вы и сами можете ответить на следующие загадки:
— Какие цвета поглощает зеленая листва на деревьях?
— Какие цвета отражает красная краска?
— Что нам кажется, когда в глазенки проникает волна длиной в 600 нанометров?
— А что наши глазенки говорят нам, когда в них попадает частота в 500 ТГц?
Волновые свойства светаПочему ложка в стакане кажется изломанной?Потому что когда волна переходит из одной среды в другую, например, из воздуха в воду, она меняет направление движения. Это явление так и называется — преломление.С помощью преломления можно увидеть то, что находится «за углом»
Кстати говоря, дисперсия света, которую открыл нам уважаемый старик Ньютон, — это тоже следствие преломления. Посмотрите еще раз на картинку дисперсии света ниже. Что мы видим? Да не что иное, как двойное преломление света, ломающегося сначала при входе из воздуха в стекло, а потом — при входе из стекла в воздух. Мы видим, что фиолетовый цвет, то есть с меньшей длиной волны и большей частотой, ломается больше (имеет больший угол преломления), чем красный. Какой вывод?Высокочастотное излучение имеет больший угол преломления — вот какой! Смотрите-ка, вот и еще один физический закончик невзначай нарисовался! Оказывается, угол преломления зависит от длины волны. Потому, собственно, дисперсия и получается.Дисперсия света в стеклянной призме.
Почему мыльный пузырь радужный?Потому что мыльная пленка очень тонкая, ее толщина в 5 тысяч раз тоньше человеческого волоса. А это значит, что ее толщина сопоставима с длиной световой волны, что при сложении волн имеет большое значение. О каком сложении волн идет речь? Да о той самой интерференции, о которой мы уже знаем.На рисунке ниже показано, какие именно лучи складываются — отраженные от внешней поверхности пленки и отраженные от ее внутренней поверхности.Интерференция цветных лучей в тонкой пленке
Дело в том, что в глаз прилетают лучи, которые прошли разный путь — одни сразу отразились от внешней поверхности пузыря (луч 1), а другие «сходили» к его внутренней поверхности, то есть прошли путь чуть больший (луч 2). На выходе эти разделенные лучи встречаются и начинают интерферировать. Если при этом у голубого цвета, например, горбик первой волны совпадет с провалом второй, они погасятся. И голубого цвета не будет! А длина красного света иная. И потому у красного может произойти обратное — горбики двух волн совпадут, дав усиление красной волны. И мы увидим яркие красные переливы.Но поскольку пузырь как бы стекает сам по себе, повисая внизу каплей, его стенки истончаются, меняются, соответственно, меняется длина пробега волн — отсюда и переливы.Почему небо голубое?