Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

Что же касается корпускул, то они, чтобы следовать после линзы по тем же искривленным путям, должны двигаться в стекле быстрее, чем в воздухе.

Фиг. 278. Волны света.

На фиг. 279 показана траектория частицы вдоль луча света. Частица, двигаясь вдоль луча CDE , должна притягиваться стеклом в точке D (подобно молекуле пара, возвращающейся в жидкость) и, следовательно, должна двигаться в нем быстрее. Здесь можно произвести «решающий эксперимент» и проверить, какая из двух теорий света — волновая или корпускулярная — правильна; следует сравнить скорости света в воздухе и в стекле (или в какой-нибудь другой плотной среде, такой, как вода).

Фиг. 279. Траектория частицы света.

До 1850 г. этого не удавалось проделать, но потом измерения показали, что свет распространяется в воде медленнее, чем в воздухе . Еще до получения этого убедительного результата имелись другие наблюдения, которые указывали на существование волн света, — дифракция и интерференция.

Дифракция: огибание волнами препятствий

Понаблюдайте, как волны на поверхности воды проходят между двумя барьерами. Проходя через широкий зазор (в котором укладывается много длин волн), волны продолжают распространяться в прежнем направлении, а по бокам остается спокойная вода, т. е. тень. Если зазор более узкий, угол, в котором волна распространяется после прохождения зазора, стремится расшириться. При очень узком зазоре это расширение становится максимальным: волна распространяется по всем направлениям в передней полуплоскости. (Гюйгенс указывал, что этого следует ожидать. Подойдя к преграде, волны заставляют колебаться воду в узком зазоре, и это порождает круговую рябь. Вода за преградой не «знает», что служит источником волн, не вызывает ли волны, скажем, погруженный в воду палец, которым двигают вверх и вниз в зазоре?.

Значит, мы должны ожидать, что от узкого зазора, ширина которого составляет лишь долю длины волны, волны будут распространяться по всем направлениям.) Это изменение направления волн, в результате которого волна распространяется в широком диапазоне направлений, или огибание волнами препятствий, называется дифракцией .

Если свет представляет собой волны, то почему солнечный свет проходит через булавочный прокол в виде резко очерченного пучка и не рассеивается? Потому что обычный булавочный прокол — это широкое отверстие; ширина его, как мы теперь знаем, составляет тысячи λ ! Если свет находит в преграде очень маленькое отверстие, он рассеивается. Проделайте такой эксперимент. Посмотрите сквозь булавочный прокол в картонке или щель между указательным и большим пальцами на находящийся где-то вдали зажженный уличный фонарь. Вы увидите резко очерченные контуры фонаря без заметного рассеяния, т. е. без дифракции. Попробуйте посмотреть на фонарь через булавочный прокол меньшего размера. Если взять очень маленькое отверстие, то сквозь него не только будет проходить меньше света, но свет от уличного освещения будет казаться вам размытым: начнет проявляться дифракция. Можно воспользоваться сеткой с очень маленькими отверстиями: куском легкой ткани вроде зонтичной или шелковым носовым платком. Теперь уличный фонарь представится вам в виде узора из ярких пятен. Измерения в этом случае могут помочь оценить значение λ . Волны могут (и должны) создавать такую картину, когда отверстия отстоят одно от другого на несколько λ , частицы же создавать ее не могут. Попробуйте просеять песок (изображая таким образом поток частиц) через мелкое проволочное сито. На столе образуется горка, а не другая какая-нибудь конфигурация из отдельных холмиков.

Понаблюдайте за демонстрационными опытами по дифракции света: обратите внимание на эффект прохождения света через узкую щель; посмотрите, что происходит при прохождении света мимо сплошной стенки. Свет рассеивается, и в области тени образуется ряд узких полос; обратите также внимание на странный случай с «отверстием в любой монете», о котором говорится в первом примечании в гл. 31 [162]).

Фиг. 280. Дифракция волн, проходящих через отверстие.

Интерференция

Наиболее убедительным доказательством существования волн и, возможно, самым важным их свойством является интерференция. При наложении двух цугов волн в какой-либо области производимые ими эффекты складываются. Предположим, мы имеем два источника S 1и S 2, испускающие волны в такт друг с другом (в случае звуковых волн это легко сделать с помощью двух соединенных последовательно динамиков, по которым проходит один и тот же ток). Чтобы наблюдать интерференцию света, освещают две узкие щели или два отверстия — булавочные проколы, расположенные рядом, при этом происходит дифракция света, и от каждого отверстия расходятся одинаковые волны, идущие в такт друг с другом. Посмотрим, что происходит с этими волнами, когда они достигают удаленного на большое расстояние наблюдателя. До точки Р (фиг. 281, а ) оба цуга волн проходят одинаковые расстояния и достигают этой точки в одинаковой фазе. Производимые ими эффекты совпадают. Горб — впадина — горб и т. д. соответствуют горбу — впадине — горбу и т. д. В результате в точке Р наблюдается светлая полоса. Пусть теперь наблюдатель переместится в точку Q , до которой один цуг волн проходит расстояние, большее, чем другой, на половину λ . В этой точке производимые одним цугом эффекты горб — впадина — горб и т. д. вычитаются из другого впадина — горб — впадина и т. д., и результирующий эффект равен нулю . [В этом заключается принцип интерференции: волны не уничтожают друг друга, а просто складываются алгебраически, и производимые ими эффекты усиливаются (горб + горб = горб ) или взаимно уничтожаются (горб + впадина = нуль ).] В 1803 г. Томас Юнг убедительно доказал своими опытами, что свет — это волны. Свет от одного источника падал на две щели, расположенные близко одна к другой (фиг. 281, б ), и Юнг исследовал свет, падавший на удаленную стену.

Фиг. 281. Интерференция волн.

При прохождении волн через два отверстия в результате наложения волн возникают интерференционные полосы, которые можно наблюдать на удаленном экране.