Ричард Фейнман - 3. Излучение. Волны. Кванты

Фиг. 28.1. Высокочастотный генератор раска­чивает электроны в проволоках вверх и вниз.

Так что в этих двух проволочках заряды на участках А и В как бы ускоряются одновременно то вверх, то вниз. Две прово­локи и генератор нужны только в этом устройстве. Окончатель­ный же результат таков, что заряды ускоряются вверх и вниз так, как если бы А и В составляли один кусок проволоки. Отре­зок проволоки, длина которого очень мала по сравнению с рас­стоянием, проходимым светом за один период колебаний, назы­вается электрическим диполъным осциллятором.

Таким образом, у нас есть прибор для создания электриче­ского поля; теперь нам нужен прибор для детектирования электрического поля, но для этого можно взять то же самое уст­ройство — пару проволок А и B! Если к такому устройству при­ложить электрическое поле, возникнет сила, движущая электро­ны по обеим проволокам либо вверх, либо вниз. Это движение фиксируется с помощью выпрямителя, смонтированного между проволоками А и В, а информация передается по тонкой прово­локе в усилитель, где сигнал усиливается и воспроизводится со звуковой частотой путем модуляции радиочастот. Когда детек­тор воспринимает электрическое поле, из громкоговорителя до­носится громкий звук; если поля нет, звука не возникает.

В помещении, где мы детектируем волны, обычно находятся и другие объекты, и электрическое поле тоже раскачивает в них электроны; они колеблются вверх и вниз и в свою очередь воз­действуют на детектор. Поэтому для успешного эксперимента расстояние между источником волн и детектором не должно быть большим, чтобы снизить влияние волн, отраженных от стен и от нас самих. Таким образом, опыт может дать результаты, не вполне точно совпадающие с (28.6), но достаточные для грубой проверки нашего закона.

Включим теперь генератор и прислушаемся к звуковому сигналу. Когда детектор D находится в положении, параллель­ном генератору G в точке 1 (фиг. 28.2), мы услышим громкий сиг­нал (это характеризует большую величину поля). Ту же вели­чину поля мы найдем и для любого азимутального угла q, полу­чаемого вращением вокруг оси G, потому что в нашем опыте ни одно азимутальное на­правление не выделено.

Фиг. 28.2. Измерение электри­ческого поля в точках окружности, центр которой совпадает с поло­жением линейного осциллятора.

С другой стороны, когда детектор находится в точке 3, поле оказывается равным нулю. Так и должно быть. Согласно нашей формуле, поле пропорционально ускорению заряда, спроектированному на пло­скость, перпендикулярную лучу зрения. Когда детектор нахо­дится над генератором в точке 3, заряды движутся к детек­тору и обратно и, следовательно, поле не должно возникнуть. Итак, опыт подтверждает первое высказанное нами правило, что заряды, движущиеся в направлении D и обратно, никакого действия не оказывают. Во-вторых, из формулы следует, что поле перпендикулярно r и лежит в плоскости, построенной на векто­рах G и r; поэтому, поместив D в положение 1 и повернув на 90°, мы сигнала не услышим. Это как раз и означает, что электриче­ское поле направлено по вертикали. Если D смещено на некото­рый промежуточный угол, наиболее громкий сигнал получается при ориентации детектора, указанной на рисунке. Дело в том, что, хотя генератор G и расположен вертикально, создаваемое им поле не будет параллельно направлению самого генератора; эффект определяется составляющей ускорения, перпендикулярной лучу зрения. В положении 2 сигнал оказывается слабее, чем в положении 1 именно из-за эффекта проектирования.

§ 4. Интерференция

Возьмем теперь два источника, расположенных рядом, на расстоянии в несколько сантиметров один от другого (фиг. 28.3). Если оба источника присоединены к одному генератору и заряды в них движутся вверх и вниз одинаковым образом, то по прин­ципу суперпозиции действия обоих источников складываются; электрическое поле равно сумме двух слагаемых и оказывается в два раза больше, чем в предыдущем случае.

Фиг. 28.3. Интерференция полей от двух источников.

Здесь появляется интересная возможность. Пусть заряды в S 1и S 2ускоряются вверх и вниз, но в S 2движение зарядов запаздывает и сдвинуто по фазе на 180°. Тогда в один и тот же момент времени поле, создаваемое S 1будет иметь одно направ­ление, а поле, создаваемое S 2,— противоположное, и, следова­тельно, в точке 1 никакого эффекта не возникнет. Относитель­ную фазу колебаний легко создать с помощью трубки, передаю­щей сигнал в S 2. При изменении длины трубки меняется и время прохождения сигнала до S 2, а следовательно, меняется разность фаз колебаний. Подобрав нужную длину трубки, мы можем добиться такого положения, что сигнал исчезнет, несмотря на движение зарядов в источниках S 1и S 2! Излучение каждого ис­точника в отдельности легко установить, выключая один из них; тогда действие второго обнаруживается сразу. Таким об­разом, если все сделать аккуратно, оба источника в совокупности могут дать нулевой эффект.

Теперь интересно убедиться, что сложение двух полей фак­тически есть векторное сложение. Мы только что рассмотрели случай движения зарядов вверх и вниз; обратимся теперь к при­меру двух непараллельных движений. Прежде всего установим для S 1и S 2одинаковые фазы, т. е. пусть заряды движутся оди­наково. Далее повернем S 1на угол 90°, как показано на фиг. 28.4. В точке 1 произойдет сложение двух полей, одного от горизонтального источника, а другого — от вертикального.

Фиг. 28.4. Иллюстрация вектор­ного характера сложения полей.

Пол­ное электрическое поле представится векторной суммой двух сигналов, находящихся в одной и той же фазе; оба сигнала од­новременно проходят и через максимум и через нуль. Суммарное поле должно быть равно сигналу R, повернутому на 45°. Макси­мальный звук будет получен, если повернуть детектор D на 45°, а не в вертикальном направлении. При повороте на прямой угол по отношению к указанному направлению звуковой сиг­нал, как легко проверить, должен быть равен нулю. И действи­тельно, именно это и наблюдается!

А как быть с запаздыванием? Как показать, что сигнал дейст­вительно запаздывает? Конечно, прибегнув к большому числу сложных устройств, можно измерить время прибытия сигнала, но есть другой, очень простой способ. Обратимся снова к фиг. 28.3 и предположим, что S1 и S 2находятся в одной фазе. Оба ис­точника колеблются одинаково и создают в точке 1 равные поля. Но вот мы перешли в точку 2, которая находится ближе к S 2,, чем к S 1. Тогда, поскольку запаздывание определяется величи­ной r/c, при разных запаздываниях сигналы будут приходить с разными фазами. Следовательно, должна существовать такая точка, для которой расстояния от D до S 1и S 2различаются на такую величину D, когда сигналы будут погашаться.