65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Из уравнений Максвелла также следует, что у всех электромагнитных волн скорость одна и та же, выражается она через константы электрического и магнитного взаимодействий и не зависит от системы отсчета (об этом мы будем подробно говорить чуть позже). Численное значение этой скорости оказалось равным уже известному тогда значению скорости света. Из этого факта сделали вывод, что свет тоже представляет собой электромагнитную волну.
В порядке увеличения частоты или уменьшения длины волны все электромагнитные волны делятся на несколько типов:
1) Радиоволны (самая большая длина волны / самая маленькая частота) – это те самые волны, которые ловят наши радиоприемники и телевизоры, также они используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ).
2) Микроволны (их длина волны чуть поменьше / частота чуть побольше) – они не только разогревают еду в микроволновых печах, но и передают сигналы сотовой связи и раздают Интернет через Wi-Fi-роутеры.
3) Инфракрасное излучение (ну, вы уже поняли, что происходит: длина волны меньше / частота больше) – его испускают все нагретые тела[27], поэтому оно используется в приборах ночного видения и тепловизорах.
4) Видимый свет – этот вид излучения, в отличие от всех остальных, мы можем воспринимать своими собственными глазами.
5) Ультрафиолетовое излучение используется в соляриях, поскольку вызывает пигментацию кожи человека (т. е. загар), а также, например, в стоматологии для установки световых пломб, которые затвердевают под воздействием ультрафиолета.
6) Рентгеновское излучение используется в медицине для получения снимков костей, суставов и внутренних органов человека (в том числе в компьютерной томографии), а также в аэропортах, вокзалах и других общественных местах для сканирования багажа.
7) Гамма-излучение (самые короткие волны и самые большие частоты) – это излучение возникает в ядерных реакциях и имеет самую большую проникающую способность, используется в позитронно-эмиссионной томографии.
Кстати, световые волны разных цветов отличаются друг от друга тоже только длиной волны / частотой. В радуге они располагаются также по увеличению частоты: сначала идет красный (с самой большой длиной волны, самой низкой частотой), затем оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и наконец фиолетовый (у него самая короткая длина волны, самая большая частота).
Заметим, что электромагнитные волны (поскольку они излучаются) часто путают с радиацией. Однако не любое излучение будет радиоактивным, а только высокочастотное рентгеновское и гамма-излучение. Остальные типы электромагнитных волн не представляют опасности для здоровья человека (конечно же, в умеренных количествах). Но об этом мы поговорим уже в главе «Откуда берется радиация?» (стр. 158).
Вопрос 19. Как происходит интерференция и в чем суть двухщелевого эксперимента?
С момента открытия электромагнитных волн у физиков отпали все сомнения в волновой природе света. А раз свет – это волна, то он должен обладать волновыми свойствами. Например, для световых волн должна наблюдаться интерференция. Это очень важное явление, которое характерно для любых волн и заключается в перераспределении интенсивности (увеличение или уменьшение результирующей амплитуды) при наложении двух или нескольких волн, приходящих в одну и ту же точку пространства. Пока звучит абстрактно и не очень понятно. Давайте попробуем разобраться на примерах.
Самые привычные для нас волны – это волны на воде, потому что они имеют большую длину волны и движутся достаточно медленно, а значит, их достаточно просто наблюдать. Возьмем большой аквариум с водой и будем бросать в него одинаковые камни с одинаковой периодичностью (чтобы они создавали колебания одинаковой частоты – это важно). От этих камней по поверхности воды пойдет волна, т. е. распространяющиеся в пространстве колебания уровня воды. Если мы понаблюдаем за отдельной точкой на поверхности воды, например, поместив в эту точку поплавок, то мы заметим, что уровень воды будет постоянно меняться, поплавок будет двигаться вверх и вниз. Максимальное отклонение вверх или вниз называется амплитудой волны.
Давайте теперь запустим в этот аквариум вторую волну. Для этого начнем бросать в него камни еще и с противоположной стороны. Через какое-то время эта вторая волна также доберется до нашего поплавка. Как это повлияет на его поведение? Ответ тут не так очевиден. Первое, что приходит в голову, это такое рассуждение: раз у нас в данную точку приходит сразу две волны, значит, колебания должны усиливаться, и амплитуда увеличится в два раза, т. е. поплавок будет подпрыгивать в два раза выше и опускаться в два раза ниже. Однако этот ответ неверный, так будет происходить не во всех точках аквариума. Но почему? Дело в том, что при наложении двух волн друг на друга важно учитывать не только их амплитуду, но и фазу, в которой они приходят в рассматриваемую точку. Если обе волны приходят в одинаковой фазе, т. е. обе волны имеют гребни (у обеих волн в данной точке одновременно максимум), то они взаимно усиливают друг друга и их амплитуды складываются. Множество точек, в которых происходит такое усиление, называются линиями максимумов.
Но если волны приходят в противофазе, т. е. у одной волны максимум, в то время как у второй волны минимум, то тогда они просто гасят друг друга, и в данной точке будет наблюдаться полный штиль, поплавок останется на месте. Оказывается, несмотря на то, что в данную точку приходит сразу две волны, никаких колебаний в ней не будет, амплитуда будет равна нулю.
Множество точек, в которых волны гасят друг друга, называются линиями минимумов. А вся картина распределений амплитуд колебаний не будет меняться со временем и называется интерференционной картиной.
Кстати, на принципе интерференции основана работа наушников с шумоподавлением. Поскольку звук – это тоже волна (колебание плотности воздуха), то любой звук можно так же погасить, направив такую же волну, но с противоположной фазой. Поэтому наушники «слушают» окружающий шум и генерируют такой же звук, но с микроскопической задержкой, чтобы он доходил до уха в противофазе к внешнему шуму. Эти два звуковых колебания при наложении друг на друга просто гасятся, и вы перестаете слышать внешние шумы и можете наслаждаться чистой музыкой.
Ровно то же самое происходит и при наложении друг на друга электромагнитных волн, в том числе световых. Вот только получить интерференционную картину световых волн довольно сложно, т. к. для этого требуется два абсолютно одинаковых источника света, чтобы они испускали две абсолютно одинаковые волны (физики называют их когерентными). А поскольку даже две одинаковые лампочки испускают световые волны хоть немного, но отличающиеся по частоте или по фазе, то получить
