Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

? А что, разве волны умеют складываться?

Да, мои маленькие и крупные друзья, волны умеют складываться! И это очень и очень интересное дело. Интересное как на практике, так и в виде отвлеченных рассуждений.

Вот смотрите… Физика изучает взаимодействие всяких физических тел. К телам мы привычные, мы и сами — тела на ножках. Все физические тела сделаны из вещества. Мы теперь знаем, как оно устроено на разных уровнях: три элементарные частицы — атомы — молекулы. Кроме вещества, в этом мире существует еще некое неосязаемое и невидимое поле, как мы выяснили. Вещество и поле называют громким словом «материя». Физики изучают свойства материи. И вот теперь выясняется, что физики изучают еще и волны.

А что такое волны? Это и не вещество и не загадочное поле. Волна — это чистое движение. Процесс! Процесс колебания частиц среды, в которой распространяются волны. При этом сами свойства среды физиков, изучающих волны, не особо интересуют. Это может их заинтересовать только если указанные свойства среды влияют на распространение волн в ней. А так физиков-волновиков интересуют только свойства самих волн — как таковых. Им интересно, как волны преломляются, как они огибают препятствия, как складываются друг с другом или гасят друг друга.

Выясняется, что вне зависимости от того, какое именно вещество колеблется, то есть по какой именно среде передаются волны, у всех волн, как у физического процесса, наблюдаются одни и те же свойства.

Самыми известными из этих свойств являются дифракция и интерференция.

Эти многомудрые слова не должны вас пугать. Напротив, принятие вами на вооружение новых научных слов делает вас сильнее, круче и богаче на голову.

Что такое дифракция? Это способность волн огибать препятствия или проходить сквозь щели. И не спрашивайте меня, каких волн — водяных или воздушных. Любых! Потому что волновая физика изучает свойства процесса распространения волн, а не свойства среды, по которой они бегут. Общие свойства волн от среды не зависят.

Посмотрите внимательно на два рисунка ниже. Слева на стенку набегает сплошной волновой фронт. В стенке дырка. Как вы думаете, каким образом после дырки будет распространяться волна — как нарисовано на первом рисунке или как на втором?

Слева набегают волны. Какой характер будет носить их распространение после отверстия в стенке — как на первой картинке или как на второй?

Правильный ответ — как на первом. Потому что у волн есть свойство «загибаться», то есть слегка огибать препятствие и проникать в область геометрической тени. То есть, казалось бы, в каком-то месте за препятствием колебаний быть не должно, но волна эдак аккуратно за препятствие заглядывает и бежит там, где должна была быть волновая тень, если бы волны огибать препятствия не умели.

Если вас и вашего приятеля будет разделять небольшая гора, и он, поднатужившись, крикнет из-за горы, вы его услышите, хотя гора вас затеняет от звука. Это произойдет потому, что волны имеют свойство препятствия огибать. (Конечно, гора должна быть при этом не слишком велика, а то звук просто ослабнет из-за расстояния.)

Голос вопящего за горой слышен из-за дифракции

Теперь самым внимательным образом посмотрите на картинку ниже. Здесь волны не проникают через дырку в стенке, а огибают столбик, на который мы смотрим как бы сверху.

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.