Приведенная на рисунках извилистая линия, по существу, является
мгновенной фотографией волны, бегущей по упругому жгуту; это лишь крайне
приближенная и упрощенная модель всех так называемых волновых процессов.
Например, в воздухе звуковые волны распространяются в трехмерном
пространстве (рис. 16). При этом уплотнения и разрежения воздуха следуют
друг за другом в форме сферических поверхностей, которые принято
называть волновыми поверхностями2. Прямые, выходящие из начальной точки,
называются лучами; они пересекают волновые поверхности под прямым углом.
Частицы воздуха совершают колебания в радиальном направлении, которое
указано лучами, так что в данном случае мы имеем дело с продольной
волной.
Вопрос о том, является ли свет волновым процессом, имеет длинную и
сложную историю. Ньютон, на протяжении всей своей жизни очень успешно
занимавшийся также проблемами оптики, был страстным
противником волновой теории света.
Рис. 16. Сферическая волна.
Изображены волновые поверхности и лучи. Синусоидальная кривая показывает
убывание амплитуды.
Он считал свет потоком малых движущихся частиц.
Однако при объяснении явления интерференции (см. ниже) ему пришлось
вводить понятие "длин состояний", под которыми следовало понимать не что
иное, как длины волн. По-видимому, Ньютон допускал некоторый компромисс,
когда он заявлял: "Каково происхождение этого процесса или состояния,
возникает ли оно из кругового или колебательного движения лучей или
среды, а возможно, и по каким-либо иным причинам - этот вопрос я не
хотел бы здесь рассматривать".
Ньютону решительно противостоял Гюйгенс, основатель волновой теории
света. Для него в этом вопросе тоже не существовало никаких сомнений, и
он писал: "Как мы в дальнейшем увидим, свету требуется определенное
время на распространение, и отсюда следует, что движение, которое
передается при этом среде, является постепенным. Аналогично звуку, оно
распространяется в виде сферических поверхностей, или волн. Я называю их
волнами ввиду их сходства с теми волнами, что образуются на поверхности
воды при бросании в нее камня".
Поскольку нам еще предстоит познакомиться с основными аргументами в
пользу той и другой точек зрения, мы не будем спешить снимать этот
спорный вопрос. Во времена Гюйгенса мы, безусловно, были бы сторонниками
волновой
теории. Среду, в которой распространяется свет, тогда называли эфиром:
это исключительно тонкая, все пронизывающая среда; она невесома и очень
подвижна. В эфире, заполняющем все пространство - от внутренних частей
атомов до самых далеких созвездий, - и должен распространяться свет. Эта
гипотеза была повсеместно принята, и с ее помощью удавалось без труда
объяснить все оптические явления. Этой гипотезы строго придерживалось
большинство физиков вплоть до начала нашего столетия.
Однако не было никаких способов обнаружить эту таинственную среду.
Возник щекотливый вопрос: с помощью какого физического механизма может
передаваться содержащаяся в световой волне энергия, если среда для ее
распространения отсутствует? Совершенно очевидно, что здесь мы
сталкиваемся с одной из фундаментальных проблем физики, и в дальнейшем
нам следует иметь ее в виду.
Временно оставляя этот вопрос и несколько забегая вперед, рассмотрим
лишь процесс распространения волны. Он начинается с того, что в
какой-либо точке пространства возникает периодическое возмущение,
которое с определенной скоростью распространяется из этой точки во всех
направлениях. Тогда каждая точка, до которой дошла волна, со своей
стороны, должна действовать как самостоятельный источник возмущения. В
этом состоит принцип Гюйгенса. Каждая точка волнового фронта является
источником новой волны. Совместное действие этих элементарных волн
создает новый фронт волны.
Рис. 17 поясняет сформулированное утверждение. На фронте волны 2,
возникшем из первоначального источника возмущения 4, все частицы
колеблются с одинаковой фазой. Из этих точек одновременно
распространяются новые волны 1; когда радиус их волновых фронтов
достигнет длины волны, можно будет построить круг 3, который касается
всех волновых фронтов и образует новый волновой фронт исходной волны.
Рис. 17. Принцип Гюйгенса. 1
- вторичные, или элементарные, волны; 2 - исходный фронт волны; 3 -
новый фронт волны; 4 - источник колебаний.
Рис. 18. Конус Маха при движении самолета со
сверхзвуковой скоростью.
Подобный принцип построения позволяет просто объяснить все
особенности распространения волн - такие, как отражение, преломление и
дифракция. Мы, однако, рассмотрим совершенно другой эффект, который
проявляется при движении сверхзвуковых самолетов. Мы имеем в виду тот
похожий на выстрел хлопок, который не совсем точно называется
"преодолением звукового барьера".'
Для объяснения этого эффекта нам необходимо лишь применить принцип
Гюйгенса. Из каждой точки, через которую пролетает самолет,
распространяется элементарная волна (рис. 18). Перед носом самолета
фронт этой волны всегда должен оставаться точечным, так как самолет в
каждый момент времени обгоняет ее. Позади самолета радиусы фронтов
элементарных волн, наоборот, растут со скоростью звука и. Огибающая всех
фронтов - общий фронт волны - представляется, таким образом, в виде
конуса. Эта отдельная ударная волна распространяется от самолета к
земной поверхности со скоростью самолета v. В тот момент, когда ее фронт
проходит через точку, где мы находимся, мы и слышим упомянутый выше
хлопок. Тем временем самолет уже далеко скрылся из виду. Острота
волнового фронта определяется отношением скоростей звука и к скорости
самолета v. В обозначенном На рисунке треугольнике угол а, составляющий
половину угла раствора конуса (угол Маха), находится из соотношения sin
ос = м/ v, с помощью которого можно определить скорость самолета, если
измерить угол ос.
