Термодинамика Механика Аккустика Электр.Волны Квантовая физика Ядерная физика Оптика СЛОВАРЬ

 

 

 

 

 

Вступление в тему.

 
     

Акустика – раздел физики, изучающий звук и его взаимодействие с веществом. В повседневной жизни это слово употребляется чаще всего в значении звуковой характеристики какого-либо помещения.

Кто много раз посещал различные театры и концертные залы, тому хорошо известно, что в смысле слышимости залы бывают с хорошей акустикой и плохой акустикой:

This will be shown to users with no Flash or Javascript.

 

 

   
   

в одних помещениях голоса артистов и звуки музыкальных инструментов внятно слышны на далеком расстоянии, в других – звуки даже вблизи воспринимаются неотчетливо. Причина этого явления очень хорошо изложена в книге американского физика Р. Вуда «Звуковые волны и их применение».

О хорошей акустике театрального зала говорят, если голоса артистов ясно слышны в любом уголке, если они доходят до слушателя естественными, неискаженными (рис. № 9).

 

«Любой звук, произведенный в здании, довольно долго раздается по окончании звучания источника; в следствие многократных отражений он несколько раз обходит кругом здания, – а тем временем раздаются другие звуки, и слушатель часто не в состоянии уловить их в надлежащем порядке и в них разобраться. Так, например, если звук длится 3 секунды и оратор говорит со скоростью 3х слогов в секунду, то звуковые волны, соответствующие 9 слогам, будут двигаться по комнате все вместе и создадут полную неразбериху и шум, из-за которого слушатель не сможет понимать оратора.

Оказавшемуся в таких условиях оратору остается говорить очень разборчиво и не слишком громко. Но обычно ораторы, как раз наоборот, стараются говорить громко и этим только усиливают шум».

Еще не так давно сооружения театра с хорошей акустикой считалось делом счастливой случайности. В настоящее время найдены приемы успешной борьбы с нежелательной длительностью звука (называемой «реверберацией»), которая портит слышимость. Борьба с плохой акустикой состоит в создании поверхностей, поглощающих излишние звуки. Самым лучшим поглотителем звука является открытое окно (как лучшим поглотителем света служит отверстие); квадратный метр открытого окна принят даже за единицу, которой измеряется поглощение звука. Очень хорошо - хотя и вдвое хуже, нежели открытое окно, - поглощают звуки сами посетители театра: каждый человек равнозначен в этом отношении примерно половине м2 открытого окна. И если правильно замечание одного физика, что «аудитория поглощает речь оратора в самом прямом смысле слова», то не менее верно, что пустой зал неприятен для оратора также в непосредственном смысле слова.

Если поглощение звука слишком велико, это также создает ухудшенную слышимость. Во-первых, чрезмерное поглощение приглушает звуки, во-вторых, уменьшает реверберацию до такой степени, что звуки слышатся как бы оборванными и производят впечатление некоторой сухости. Поэтому если следует избегать слишком длительной реверберации, то и слишком короткая реверберация также не желательна. Наилучшая величина реверберации для различных зал неодинакова и должна быть установлена при проектировании каждого зала.

В театре имеется и другой предмет, интересный с точки зрения физики: суфлерская будка. Обратили ли вы внимание на то, что во всех театрах она имеет одну и ту же форму? Это оттого, что суфлерская будка – своего рода физический прибор. Свод будки представляет собой вогнутое звуковое зеркало, имеющее двоякое назначение: задерживать звуковые волны, идущие из уст суфлера в сторону публики, а кроме того, отражая эти волны по направлению к сцене.

вверх

Интерференция звука 

Цитата из произведения


В. Скотт «Поле Ватерлоо»
«…Теперь ты вдаль взгляни,
Где скачут в бой вослед знамен
За эскадроном эскадрон;
Ты думаешь, они -
Войска победные Груши?
Нет, обольщаться не спеши -
То пруссаки идут!
Иль ты забыл сей трубный глас,
Зловещий в твой недобрый час…»

Скотт написал эту поэму после посещения поля битвы Ватерлооо, произошедшей 18  июня 1815 года.

вверх

Теория интерференции света (звука).

Классическое объяснение явлений интерференции света базируется на представлениях о свете как волнах электромагнитного поля.

·             Волны и волновое движение. Примеры и основные понятия.

·             Принцип суперпозиции и сложение волн.

·             Термин интерференция.

·             Понятие когерентности.

Волны и волновое движение. Примеры и основные понятия.

В физике волнами или волной называют всякое изменяющееся во времени пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например плотности вещества, температуры, напряженности электрического поля.

Рассмотрим вопрос - как возникают волны и чем волновое движение отличается от обычного механического движения тел.

Говоря о движении тела, мы имеем в виду его перемещение в пространстве. Для описания перемещения тел используются понятия координат, скорости. В случае же волнового движения речь идет не о перемещении среды, а о перемещении некоторых изменений состояния среды. Эти изменения, появившиеся сначала в одном участке среды, некоторым образом передаются и перемещаются в другие соседние точки. При перемещении изменений по среде в них могут происходить какие-либо видоизменения или искажения.

Рассмотрим пример волны в упругой натянутой нити. Опыт показывает, если заставить один конец нити O совершать смещения в направлении, перпендикулярном нити, по закону y=f(t), то эти колебания начнут распространяться вдоль нити с некоторой скоростью v. Благодаря упругим связям, существующим между частицами нити, смещение одной из них вызывает смещение соседних частиц. Они вызывают смещение частиц нити расположенных еще дальше от конца нити, и так далее. Таким образом, те движения, которые были сообщены концу нити, повторяются с некоторым запаздыванием, которое будет тем больше, чем дальше рассматриваемая точка расположена от конца, который мы заставляем совершать колебания. Такого рода передача колебаний вдоль нити и представляет собой волну.

Скорость v есть скорость волны. Эта скорость зависит от материала нити, ее толщины, натяжения (Рис № 16). Точка нити Р, находящаяся на расстоянии x от начальной точки O, будет повторять движение точки O с запаздыванием x/v. Если при передаче смещений не происходит заметных искажений, то смещение в точке P в момент времени t будет такое же, какое имела точка O в момент времени t - x / v. Уравнение, описывающее перемещение точки P дается формулой:

Рассмотрим простейший случай, когда начальная точка O совершает гармоническое колебательное движение с периодом T:

где A - амплитуда колебаний, т. е. наибольшее удаление конца нити от положения равновесия. Волновое движение, распространяющееся вдоль оси OX, выражается при этом формулой:

Различные точки нити также совершают гармонические колебательные движения с тем же периодом T и с той же амплитудой A.

Выражение, стоящее под знаком синуса, называют фазой колебаний. Так, фаза колебаний в начальной точке O в момент времени t равна:

a фаза колебаний в точке P в тот же момент времени равна:

Разность фаз колебаний в этих двух точках в один и тот же момент времени равна:

Для двух произвольных точек нити P1 и P2 , имеющих координаты вдоль оси OX x1 и x2, разность фаз равна:

Величина

называется разностью хода.

Расстояние vT, пробегаемое волной за время одного периода, называется длиной волны ("лямбда"):

Формулу, выражающую разность фаз между двумя точками, можно, используя понятие длины волны, записать в виде:

Если разность фаз равна целому кратному числа "2 пи", то смещения y1 и y2 точек P1 и P2 в любой момент времени будут одинаковы. Тогда говорят, что движение точек совпадает по фазе. Если же смещения двух точек равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку, то говорят, что эти точки находятся в противоположных фазах. В этом случае расстояние между точками равно нечетному числу полуволн, а разность фаз равна нечетному кратному "пи".

Постоянное значение фазы определяется соотношениями:

                или                 

По прошествии времени dt это постоянное значение фазы переместится на расстояние dx , причем dt и dx связаны соотношением:

Из этой формулы получается:

Таким образом, постоянное значение фазы перемещается вдоль нити с постоянной скоростью v. Поэтому скорость v называется также фазовой скоростью волны.

Выше мы рассмотрели кинематические характеристики волны. Если рассматривать волновой процесс с энергетической точки зрения, то мы получим, энергия элемента нити при распространении в ней волны пропорциональна квадрату амплитуды. Заставляя колебаться конец нити, мы передаем ему энергию. Этот крайний элемент передает эту энергию смежному с ним элементу, и т. д. Так распространение волны сопровождается непрерывным переносом энергии. (Забегая вперед, заметим, что в случае электромагнитных и световых волн, энергия колебаний поля пропорциональна квадратам амплитуды электрической и магнитной составляющей поля.)

Итак, в общих чертах мы рассмотрели один из простых примеров одномерного волнового движения - волны в упругой натянутой нити. Смещения нити были в направлении, которое перпендикулярно направлению распространения волны. Такая волна называется поперечной. Если бы мы создавали смещения вдоль направления натяжения нити, возникала бы волна, состоящая из чередующихся областей сжатия и растяжения нити. Такая волна называется продольной. В продольной волне направления колебаний параметров среды и распространения совпадают. Продолжим рассмотрение примеров.

Другой наглядный пример - образование и движение волн на поверхности воды (рис № 17). Если мы периодически касаемся палочкой (или как на рисунке – кончиком ноги) поверхности воды, высота поверхности в точке касания изменится, а затем это изменение передастся на соседние участки поверхности. В результате появятся круги, расходящиеся из места касания. Они имеют вид движущихся "горбов" и "впадин". На "горбах" происходит подъем поверхности жидкости, в месте "впадин" поверхность жидкости опускается. По мере удаления волн от центра, высота "горбов" и глубина "впадин" уменьшается. В данной ситуации мы наблюдаем двумерную поперечную волну.

Следующий пример - звуковая волна в газе. В ней имеют место местные локальные сжатия и разрежения газа. Малое местное сжатие газа передается соседнему участку с некоторым запаздыванием. За сжатием следует разрежение, оно также передается в соседние участки. Такие чередующиеся состояния газа перемещается от точки к точке, образуя звуковую волну. Примеры источников звуковых волн - динамик работающего радиоприемника, компьютера. Подвижная часть динамика в такт музыке, речи диктора совершает быстрые перемещения. Движение вперед создает первоначальное сжатие воздуха, движение назад – разрежение (Рис № 18).

Физическая природа волн в различных средах различна, но формальное описание волновых процессов имеет много сходства. На примере волнового движения в натянутой нити мы ввели понятие длины волны. Важнейшим понятием для любой волны является фаза. Фаза волны определяет состояние волны в данной точке и в данный момент времени. Это функция координат и времени. Она позволяет определить понятие волновой поверхности. Волновой поверхностью называют такую поверхность, все точки которой в данный момент времени находятся в одной и той же фазе, т.е. это поверхность постоянной фазы. В примере с волнами на поверхности воды, точки максимального подъема поверхности в пределах одного "горба" имеют одну фазу и, следовательно, принадлежат одной волновой поверхности. Каждому значению фазы соответствует своя волновая поверхность. На поверхности воды они имеют вид кругов, радиусы которых со временем растут со скоростью движения волн на поверхности. Для нашего примера звуковой волны волновые поверхности похожи на полусферы, разбегающиеся от источника со скоростью звука. Волновые поверхности позволяют нам лучше представить себе, какой вид имеет волновое движение в пространстве. Наиболее простой вид имеют плоские волны. Их волновые поверхности - плоскости. У сферических волн волновые поверхности являются сферами. Цилиндрические волны имеют волновые поверхности в форме цилиндров.

Возьмем волновую поверхность и выделим на ней некоторую точку (рис № 19). Проследим за изменением ее положения во времени. Линия, которую "прочертит" точка на движущейся волновой поверхности, будет показывать направление распространения волн, а ее длина - путь, пройденный волной. В простом примере расходящихся круговых волн на поверхности воды такими линиями будут лучи, выходящие из источника. На рисунке они показаны красным цветом.

Аналогичная картина для плоских волн в трехмерной среде показана на следующем рисунке. Линии, которые прорисуют точки на движущейся волновой поверхности, будут перпендикулярными волновой поверхности параллельными прямыми.

В приведенных выше примерах движение участков волновой поверхности происходило по прямым линиям. Такая ситуация характерна для данных типов волн в однородных средах. В них параметры, определяющие распространение волн, одинаковы для всех участков среды. Если же среда неоднородна, то волновые поверхности могут приобрести более сложную форму. Тогда линии, соединяющие волновые поверхности в разные моменты времени, дают наглядную картину распространения волн в среде.  

Отметим, что в оптике подобным образом вводят понятие так называемых "световых лучей". С ними связывают направления распространения световых волн и направление переноса энергии  (рис № 24. )

наверх

Принцип суперпозиции и сложение волн

Представим, что в среде имеется два или несколько независимых источников волн. Каждый источник испускает свои волны, и в результате образуется сложное волновое поле. Возмущения, создаваемые каждым источником, одновременно воздействуют на каждый элемент среды. Если свойства среды не изменяются под действием волн (или, точнее говоря, не меняются параметры "механизма" передачи возмущения от одной точки среды к другой), то результирующее воздействие нескольких источников представляет собой сумму каждого воздействия в отдельности. Это значит, что для волновых процессов в среде выполняется так называемый принцип суперпозиции (наложения) волн. Принцип суперпозиции волн гласит, что волны от различных источников не взаимодействуют друг с другом, и сложное волновое поле от двух или большего числа источников находится путем сложения волн от отдельных источников.

Не вдаваясь в детали, отметим, что данный принцип справедлив для многих сред. Для нас наиболее важно, что он применим к световым волнам. Поле электромагнитных волн, созданное совокупностью источников, равно сумме полей, создаваемых каждым источником по отдельности.

Вернемся к первому примеру - поперечной волне в упругой натянутой нити. Разберем случай сложения волн от двух источников гармонических колебаний. Пусть волны распространяются вдоль прямой OX и имеют поперечный характер. Оба источника расположены на прямой OX. Первый - в точке O1, второй - в точке O2. Возьмем точку P, находящуюся на расстоянии x1 и x2 от первого и второго источника. Схема показана на рис № 21.

В общем случае колебания источников могут иметь разные периоды и происходить в разных направлениях. Для последующего рассмотрения вопросов интерференции света в оптике интересен случай сложения колебаний одинакового периода. Сложение волн с различными направлениями колебаний соответствовало бы учету поляризации света в явлениях интерференции, рассмотрение которого в данной работе проводиться не будет. Поэтому будем считать периоды колебаний равными и направления колебаний совпадающими. Смещения в точке P от первого источника y1 и смещение y2 от второго источника выражаются соотношениями:



Разность фаз в этом случае равна:

Эта разность фаз постоянна и не зависит от времени. Ее величина зависит от расстояния между источниками (разности хода).

Результирующее смещение в точке P равно сумме смещений у1(t) и y2(t):

В этом выражении переменной величиной, зависящей от времени, является фаза "фи 1". Выполним преобразования - заменим постоянные коэффициенты следующими:



Новые коэффициенты определяются из соотношений:

В новых обозначениях выражение для смещения точки P примет вид:

Таким образом, результирующее колебание, возбуждаемое двумя источниками, имеет тот же период T, что слагаемые колебания, и отличается от каждого из них своей амплитудой и фазой. Амплитуда и фаза результирующего колебания зависит от амплитуд и разности фаз.
Рассмотрим энергию результирующего колебания. Эта энергия пропорциональна квадрату его амплитуды:

Максимальное значение квадрата амплитуды получается при следующих значениях разности фаз и разности хода:

Разность фаз кратна четному числу "пи", разность хода кратна целому числу длин волн "лямбда"

Максимальное значение при этом равно квадрату суммы амплитуд волн:

Минимальное же значение равно квадрату разности амплитуд складывающихся волн:

Оно получается при следующих значениях разности фаз и разности хода:

Здесь разность фаз кратна нечетному числу "пи", разность хода кратна нечетному числу расстояний в половину длины волны "лямбда".

Приведем выражение для квадрата амплитуды, когда амплитуды складывающихся волн одинаковы:

Таким образом, в зависимости от разности фаз (хода) при одинаковых амплитудах складывающихся волн можно получить увеличение или уменьшение вплоть до нуля энергии колебаний.

В оптике такая ситуация будет соответствовать увеличению или ослаблению освещенности. Полное отсутствие света получается при равных амплитудах складывающихся световых волн и разности фаз колебаний кратном нечетному значению числа "пи" - разность хода кратна нечетному длины полуволн. Представленный график на рисунке № 22 показывает поведение квадрата амплитуды результирующего колебания в точке P в зависимости от разности фаз двух слагаемых волн для двух случаев. Красная линия соответствует ситуации A1=1 и A2=3, синяя линия случаю A1 = A2 = 2.

наверх

Термин "интерференция".

Слово "интерференция" происходит от латинских слов: inter (взаимно, между собой) и ferio (ударяю, поражаю). В английском языке слово interference имеет смысл взаимного влияния, вмешательства. Поэтому изначальный смысл термина - взаимное влияние, воздействие каких-либо объектов друг на друга. В русскоязычной научной литературе по физике его применяют к явлениям, происходящим при сложении волн различной физической природы. Синонимом словосочетанию "интерференция волн" может быть словосочетание "сложение волн". Предыдущий раздел "Принцип суперпозиции и сложение волн" мог бы иметь название "Принцип суперпозиции и интерференция волн".

 наверх

Понятие когерентности.

Термин "когерентность" имеет корни в латинском слове cohaerens - находящийся в связи. В английском языке слово coherent означает связный, последовательный. В физике, когда говорят о согласованности нескольких колебаний или волн, то употребляют термин "когерентность". Разобранный выше пример сложения волн - это случай сложения волн от когерентных источников. В примере разность фаз колебаний не зависела от времени. Это ситуация идеальных гармонических колебаний. В действительности идеально гармонические колебания неосуществимы. Под влиянием внешних воздействий амплитуда колебаний, период, фаза будут непрерывно (хотя, может быть, и достаточно медленно) изменяться со времени непредсказуемым, случайным образом. Поставим вопрос: как скажется такое поведение источников на результат сложения волн? Допустим, что амплитуда и период колебаний остаются постоянными, а различаются фазы колебаний источников, причем изменение фаз происходит достаточно медленно. На интервалах времени равных нескольким периодам колебаний T, фазы не меняются. В разобранном нами выше примере сложения волн от двух источников это означает, что выражения для колебаний, создаваемых волнами от источников 1 и 2 в точке P имеют вид:

 

Для упрощения рассмотрения будем считать амплитуды A1 = A2 = Ao равными. Тогда выражение для результирующего колебания имеет вид:

 

 


 

или

  

 

 


 

В написанном выше выражении первый тригонометрический множитель определяет зависимость колебания в точке P от времени t. Он показывает, что результирующее колебание происходит с тем же самым периодом T. Фаза колебания, зависящая от расстояния до источников и их фаз, равна среднему от соответствующих величин.
Второй тригонометрический множитель не зависит от времени t. Поэтому выражение для амплитуды колебаний A в точке P можно записать в виде:

Энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды колебаний. Напишем выражение для квадрата амплитуды:

 

Данные выражения отличаются от полученных ранее аналогичных соотношений наличием в аргументе косинуса слагаемого, равного разности фаз колебаний источников. Мы предположили, что на интервалах времени, много больших периода колебаний источников, фазы могут меняться.

Если фазы Ф1 и Ф2 меняются согласованно и таким образом, что их разность остается постоянной, получается стабильная интерференция волн. Результат сложения волн не изменяется во времени. В этом случае волны и возбуждающие их источники называются когерентными.

Возможна, однако, и противоположная ситуация. Фазы Ф1 и Ф2 меняются независимо друг от друга. Следовательно, значение их разности может быть любым. Это значит, что результат не может быть представлен как волна с постоянной амплитудой колебаний. Максимальное отклонение за период колебаний может меняться от 0 до A. Энергия также будет меняться пропорционально квадрату максимального отклонения. Среднее значение энергии колебаний будет пропорционально сумме квадратов амплитуд волн от источников. Такие волны и источники, не создающие стабильной интерференции, называются некогерентными.

В разобранном примере мы имели два источника и рассматривали сложение идущих от них волн. Понятие когерентности - некогерентности возникло на основе анализа взаимной согласованности их колебаний. Эти понятия можно применить к одному источнику и создаваемой им волне. Разберем следующую мысленную ситуацию. Допустим, у нас имеется источник гармонических волн. Фаза колебаний источника может меняться случайным образом. Изменение фазы происходит практически мгновенно и регулярно с интервалом tc > T периода колебаний. Вид волны показан на рисунке № 23.

Красные линии указывают на те участки волны, где происходит случайное изменение фазы. Видно, что волна состоит из так называемых цугов, в пределах которых фаза волны меняется линейно. Этим участкам соответствуют интервалы времени tc, когда фаза колебаний источника не менялась. Длина участков обозначена Lc. Если мы мысленно произведем сложение колебаний, создаваемых такой волной, с такой же волной но задержанной на время, большее tc (или, иначе говоря, смещенной на расстояние большее Lc), то складываться будут уже участки волны со случайной разностью фаз. Стабильной во времени картины интерференции волн не будет. В обратной ситуации при задержке меньше tc (смещении на расстояние меньшее Lc) интерференция будет. Картина будет тем стабильнее, чем меньше задержка (смещение).

Можно ввести понятия времени когерентности tc и длины когерентности Lc. Связь между ними дается формулой:

Lc = tc v ,

Где v - скорость распространения волны.

Рассмотренные представления имеют применения для описания характеристик световых волн и источников света при анализе явления интерференции света в оптике. Более подробно соответствующие вопросы рассматриваются в следующей части теоретического материала.

1. Проведем опыты. Создадим волны в натянутом упругом шнуре, волны на поверхности воды и понаблюдать за ними. Особо интересен последний случай. Волны на поверхности воды легко создать и наблюдать за ними. Глаз может раздельно следить за движением каждого горба и впадины. Возникающие при этом эффекты (сложение волн, огибание препятствий, отражение и другие) одинаковы по своему характеру для волновых движений различной физической природы, в том числе и световых.

2. Воспользуемся компьютерной моделью двумерного волнового движения на поверхности воды. Специально написанная программа позволяет наблюдать картину движения и сложения волн на поверхности. Можно изменять длину и скорость распространения волн, частоты источников возбуждения волн, их взаимное положение.

 наверх

Теория интерференции, часть 2

Интерференция волн может приводить как к усилению, так и к гашению их амплитуды

Концентрические круговые волны с источниками в различных точках на поверхности воды, возникшие в результате падения дождевых капель, в зонах их пересечения дают интерференционную картину. Затемнения соответствуют зонам деструктивной интерференции.

Волны — один из двух путей переноса энергии в пространстве (другой путь — корпускулярный, при помощи частиц). Волны обычно распространяются в какой-то среде (например, волны на поверхности озера распространяются в воде), однако направление движения самой среды не совпадает с направлением движения волн. Представьте себе поплавок, покачивающийся на волнах. Поднимаясь и опускаясь, поплавок повторяет движения воды, в то время как волны проходят мимо него.

Явление интерференции происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в различных направлениях. При этом оно наблюдается и у волн, распространяющихся в средах, и у электромагнитных волн. То есть интерференция является свойством волн как таковых и не зависит ни от свойств среды, ни от ее наличия. Чтобы понять ее механизм, проще всего вернуться к примеру волн на водной поверхности и представить себе, что каждая волна несет в себе инструкцию для элементов поверхности, например «подняться на 1 метр» или «опуститься на 30 см». В точке взаимодействия двух волн поверхность просуммирует две такие инструкции — в данном примере, она поднимется на 70 см (1 метр минус 30 см).

Самое поразительное происходит в точке встречи двух волн равной амплитуды, достигших места встречи в противофазе (то есть когда пик максимума амплитуды одной волны накладывается на пик минимума амплитуды другой). В таком случае, условно говоря, одна волна передает поверхности инструкцию «подняться на 1 м», а другая — «опуститься на 1 м», в результате чего поверхность воды просто остается на месте. В этом случае на воде мы наблюдаем точку штиля. В акустике — мертвую точку. В оптике — точку полного затемнения. Это явление называется интерференционным гашением волн, или деструктивной интерференцией.                                                                                                                                   наверх 

Возможна и прямо противоположная ситуация, когда две волны встречаются в точке совпадения фаз, и амплитуды колебаний среды складываются (при равной амплитуде встретившихся волн, например, амплитуда линейных колебаний среды удвоится). Это явление называется интерференционным усилением волн, или конструктивной интерференцией. Волны на поверхности воды в таких точках будут самыми высокими, звуки — самыми громкими, свет — самым ярким. Естественно, имеется множество промежуточных значений интерференционной амплитуды колебаний, лежащих в пределах от полностью конструктивной до полностью деструктивной интерференции, которые образуют причудливую и в то же время упорядоченную интерференционную картину взаимодействия волн.

Эффект интерференционного гашения позволяет нам судить, имеем мы дело с волной или с частицей. Действительно, при встрече двух бильярдных шаров трудно представить ситуацию, при которой оба шара просто исчезнут, — самое большее, при сильном соударении они могут раскрошиться. Фактически, именно явление интерференции света окончательно убедило ученых XIX столетия в его волновой природе.

Одним из простейших экспериментальных доказательств стал опыт британского ученого Томаса Юнга. Пучок света направлялся на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого был установлен второй, проекционный экран. Если бы свет состоял из частиц, на проекционном экране мы увидели бы всего две параллельных полосы света, прошедших через прорези ширмы. А между ними проекционный экран оставался бы практически неосвещенным.

Если же, с другой стороны, свет представляет собой распространяющиеся волны, картина должна наблюдаться принципиально иная. Согласно принципу Гюйгенса, каждая прорезь является источником вторичных волн. Эти волны, в частности, достигли бы линии в середине экрана, находящейся на равном удалении от прорезей синхронно и в одной фазе — гребень к гребню, провал к провалу. Значит, на серединной линии экрана оказалось бы выполненным условие максимального интерференционного усиления, и там должен наблюдаться максимум яркости. То есть наивысшая яркость окажется именно там, где она должна быть практически нулевой в случае справедливости корпускулярной гипотезы света. На каком-то удалении от центральной линии, напротив, волны должны оказаться в противофазе, и там будет наблюдаться темная полоса. По мере дальнейшего удаления от средней линии яркость будет снова возрастать до максимума, затем снова убывать и т. д. Таким образом, на проекционном экране мы должны получить целый ряд чередующихся интерференционных полос. И опыт Юнга это с блеском подтвердил, развеяв все сомнения в волновой природе света.

Сюрприз ждал физиков столетием позже, когда через аналогичный экран с двумя щелями пустили пучок электронов. Выяснилось, что и они образуют на проекционном экране четкую интерференционную картину с чередованием «светлых» и «темных» полос. Следовательно, для электронов действительно выполняется соотношение де Бройля, хотя все привыкли считать их частицами!

Интерференция сегодня широко применяется в экспериментальной физике, будучи положена в основу действия измерительного прибора под названием интерферометр. Интерферометры бывают самых разных конструкций, в зависимости от того, что именно они должны измерять, но принцип работы у любого интерферометра один и тот же: луч разбивается на два синфазных луча посредством использования частично пропускающего луч зеркала, после чего один луч направляется на экран напрямую, а другой — через исследуемый образец (конструкция прибора и частоты лучей могут быть самыми различными в зависимости от объекта исследований). В конечно итоге оба луча попадают на регистрационный экран, и по полученной интерференционной картине можно с большой точностью судить о свойствах исследуемого образца, поскольку смещение интерференционных полос позволяет отслеживать малейшие смещения фазы луча в результате взаимодействия с исследуемым веществом. Интерферометры позволяют регистрировать задержки светового луча на время значительно меньше полупериода световой волны. Именно опыт Майкельсона—Морли, проведенный с использованием точнейшего интерферометра и не выявивший эфирного ветра, заставил ученых окончательно отказаться от идеи мирового эфира.

     

 наверх