Парадоксы волнового мира
WILLIAM RADCLIFFE/SCIENCE FACTION/CORBIS/RPG
В яркий солнечный день на море взгляду открывается безупречно четкая картина. Каждый листок на дереве, каждый камешек на пляже ясно обрисованы, а резко очерченные солнечные блики на волнах складываются в уходящую к горизонту дорожку. На снимке с короткой выдержкой набегающая на берег волна предстает тысячами мельчайших капелек, в которых играют лучи света. Оттого, наверное, и кажутся лучи, состоящие из частиц, самым естественным представлением о природе света. Даже удивительно, что кто-то стал изобретать более замысловатые модели. Но в физике известен целый ряд явлений, которые не укладываются в рамки такой привлекательной корпускулярной модели света.
Одним из первых о световых волнах заговорил Христиан Гюйгенс. В его теории свет — вовсе не частицы, а волнообразные колебания эфира, которые распространяются в пространстве подобно волнам на поверхности воды. Давайте присмотримся внимательнее к этому процессу.
Если на воде под внешним воздействием образуется горб, он сразу начинает проседать и растекаться в стороны. Опускаясь, вода по инерции проскакивает положение равновесия, и на месте горба появляется впадина, окруженная водяным валом. Затем проседает вал, превращаясь в ров, а по сторонам от него — снаружи и внутри — вода вновь поднимается, хотя и на меньшую высоту, чем прежде. Чередующиеся валы и впадины начинают расходиться, образуя круги на поверхности воды, наблюдать за которыми настоятельно советовал Козьма Прутков.
Волны от разных источников распространяются независимо и, как призраки, свободно проходят сквозь друг друга. При этом их воздействия на среду складываются: когда на поверхности воды сходятся два горба, высота волны в этом месте вырастет вдвое. Напротив, горб и впадина взаимно гасятся. Если на ровную поверхность воды уронить на некотором расстоянии две капли, то круги от них, проходя сквозь друг друга, образуют характерный клетчатый узор. Это явление получило название интерференции.
Интерференцию на воде легко наблюдать, поскольку волны движутся медленно и имеют большую длину. Свет же при длине волны полмикрона за секунду проходит 300 000 километров, совершая при этом около квадриллиона колебаний. Уследить за такими процессами весьма затруднительно. И все же известно множество эффектов, в которых волновая природа света проявляется вполне наглядно.
Бритва удерживается на воде поверхностным натяжением нефтяной пленки. Цветные разводы возникают за счет интерференции — сложения световых волн, отраженных верхней и нижней поверхностями пленки. Фото: SPL/EAST NEWS
Тонкие пленки
Надувать мыльные пузыри любят не только финансисты. Многим нравится следить, как дрожащий шарик переливается всеми цветами радуги. Эта игра красок — результат интерференции пары отраженных световых волн. Одна идет от внешней поверхности мыльной пленки, а другая — от внутренней. Нам кажется, что толщина мыльной пленки ничтожно мала. Но для света это совсем не так. Вторая волна, которой пришлось дважды преодолеть толщину пленки, отстает от первой. Из-за этого гребни отраженных волн смещаются относительно друг друга на двойную толщину пленки.
Если это смещение окажется равным длине волны света, волны взаимно усилятся. В случае же, когда отставание составит половину или полторы длины волны, гребни одной волны придутся на впадины другой и полностью погасят друг друга. При толщине пленки в четверть микрона (250 нм), характерной для еще достаточно прочного пузыря, разность хода составляет полмикрона, что как раз равно длине волны красного света в воде. Волны, отвечающие синему цвету, короче, и для них расхождение составит полтора периода. В итоге красный цвет в отражении усилится, а синий пропадет.
Мыльная пленка — эфемерная конструкция. Вода быстро испаряется или стекает вниз под действием силы тяжести. Толщина пленки меняется, а вместе с ней меняются видимые на поверхности пузыря цвета. При толщине 230 нм она окрашивается оранжевым цветом, при 200 нм — зеленым, при 170 нм — синим. Поскольку толщина пленки уменьшается неоднородно, она обретает пятнистый вид. Истончившись до 0,1 микрона (100 нм), пленка уже не может усиливать отраженный свет, а только избирательно гасит некоторые цвета. Наконец, пропадает и эта способность, поскольку разность хода отраженных лучей становится незначительной, пузырь обесцвечивается и лопается при толщине пленки 20—30 нм.
Радужные переливы нефтяной пленки на воде тоже вызваны интерференцией. Поэтому они возникают в случае относительно небольшого загрязнения, когда пленка имеет толщину около микрона или меньше.