Очевидное? Нет, еще неизведанное…

Пожалуй, стоит несколько напомнить, что такое волновое движение, поскольку в данном случае неглубокие повседневные наблюдения могут основательно затруднить правильное понимание.

Бросив в воду камень и наблюдая, по совету Козьмы Пруткова, разбегающиеся волны, мы обычно вполне удовлетворяемся фразой: «Волны распространяются с такой-то скоростью». Мы можем даже измерить эту скорость, не очень задумываясь, что же в действительности переносится в процессе волнового движения, каким образом ведут себя частицы той среды, в которой распространяется волна.

Волновое движение — это процесс передачи энергии, происходящий в какой-то среде. Частицы среды при этом колеблются около равновесных положений.

Нечто вроде определения!

Распространение волны заключается в том, что все новые и новые частицы среды начинают колебаться. Причем они могут смещаться совсем не в направлении распространения волны…

Игра в «испорченный телефон» неплохо иллюстрирует так называемую продольную волну. Какая-то фраза передается с одного конца цепочки участников игры на другой, но не непосредственно, а каждый говорит на ухо лишь ближайшему соседу.

Вообще говоря, «испорченный телефон» — аналог волнового движения в поглощающей и искажающей волны среде.

Еще более точная аналогия — сигнальная эстафетная служба, широко распространенная у древних. Есть несколько десятков курьеров. Получив сведения, первый бежит на соседний пост, сообщает другому и возвращается назад; второй бежит к третьему и т. д. Такая эстафета воспроизводит продольную волну; «передаваемой энергией» является сообщение, а «частицами среды» — курьеры.

В продольной волне смещения частиц происходят в направлении движения волны.

Нетрудно подыскать житейскую аналогию для поперечной волны. В ней частицы среды смещаются перпендикулярно распространению волны.

Если в большой стае птиц, сидящих рядком на проводе, крайнюю взволнует какая-то ложная тревога, она взлетит, а потом, убедившись, что все спокойно, сядет на место. Ее соседки проделают то же самое, но с некоторым запаздыванием во времени. Беспокойство постепенно распространится по всей стае, и когда на одном конце все уже успокоится, на другом волнение может оказаться в полном разгаре.

Как почти любая аналогия, приведенный пример очень грубо и неточно иллюстрирует волновое движение.

Здесь передается тревога («энергия»!), а птицы («частицы среды») двигаются перпендикулярно к направлению распространения сигнала.

Итак, частицы среды, в которой распространяется волна, только колеблются около положения равновесия. Если начальное возбуждение имеется в одном месте, то волна может распространяться только при условии, что частицы среды связаны между собой. Это совершенно понятно.

Менее тривиально такое замечание: волна будет распространяться без всяких искажений и потерь только в том случае, когда силы связи между частицами среды имеют совершенно определенный характер — так называемые упругие силы. Такая среда называется идеально упругой и вообще-то представляет собой некоторую идеализацию. Но известно много тел, в которых волны распространяются с очень малыми потерями энергии. Между прочим, эти тела и среды могут быть совершенно различны по своим прочим свойствам. Например, стальной стержень и воздух.

Что упругие свойства воздуха в известном смысле очень хороши, убеждает, например, то, что, разговаривая, мы слышим друг друга на расстоянии нескольких десятков метров. Чрезвычайно малой энергии колебаний голосовых связок достаточно (если бы все люди на Земле подняли крик, они развили бы мощность всего лишь 10 л. с.), чтобы звуковая волна распространилась на десятки метров, прежде чем она поглотится средой.

Впрочем, разговор о свойствах упругих тел завел бы нас слишком далеко. Отметим только, что в твердых упругих телах могут образовываться волны обоих типов — продольные и поперечные. А в глазах возникают только продольные волны.

Пожалуй, наиболее яркими свойствами волнового движения — своеобразным «паспортом» — являются интерференция и дифракция. Суть обоих этих явлений очень проста, но почему-то дифракцию обычно представляют себе хуже, чем интерференцию.

Дифракция — это огибание препятствия волной. Если на пути распространения волн на воде окажется камень, то в образованном за камнем конусе резкой волновой тени не образуется. Волновое движение частично «захлестнет» и ту область, которая находится в «тени».

Скороговорка о важнейших свойствах волнового движения.

При прочих равных условиях огибание препятствия тем значительней, чем больше отношение длины волны к размерам преграды.

Поэтому можно слышать голос человека, рот которого прикрыт ладонью и не виден. Звуковые волны легко огибают ладонь, а дифракция световых волн слишком мала, чтобы обогнуть это препятствие. Иначе говоря — чем меньше длина волны, тем труднее наблюдать дифракцию.

Дифракцию видимого света, впрочем, можно обнаружить при помощи сравнительно простых приспособлений, но дифракция рентгеновых лучей наблюдается при рассеянии на таких препятствиях, как отдельные атомы.

Интерференция — непосредственное следствие принципа суперпозиции.

Ученый характер фразы не должен смущать. Содержание принципа суперпозиции очень ясно. «Когда в одной точке действуют несколько возмущений, то, чтобы выяснить окончательный результат, их следует просуммировать».

А суммируя даже две одинаковые волны, можно получить самые различные результаты в зависимости от разности фаз этих волн (кстати, неплохая аналогия явления интерференции — закон сложения сил). В частности, теоретически вполне возможен случай, когда при громком разговоре двух людей в комнате устанавливается абсолютная тишина.

По ряду причин именно этот эффект отсутствует, но всегда можно создать экспериментальные условия для наблюдения интерференции. И в оптике, и в акустике, и при изучении упругих волн в твердых телах интерференцию легко наблюдать.

Может быть, наиболее трудно воспринимается еще одно замечательное свойство волн — поляризация, но пока мы «минуем это препятствие».

Изучая свет, физики наблюдали эффекты, которые явно указывали на его волновую природу. Интерференцию и дифракцию, как помните, наблюдал еще Гримальди. За ним Гук, Ньютон и Гюйгенс в своих опытах неоднократно наталкивались на те же явления.