Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

В результате интерференции волны одного типа сталкиваются; причем происходит это не только со световыми волнами, но и с любыми другими. Вообще-то, слово «сталкиваются» не слишком удачное — скорее, волны проходят друг через друга и сливаются, накладываясь. Как-то мне довелось увидеть отличный пример интерференции — в надувном бассейне моей дочки. Однако источником волн была не красивая бабочка, а пара несчастных мотыльков-однодневок.

Уж не знаю, как, но ночью они угодили в воду бассейна. Их палевые в крапинку крылышки прилипли к воде, пригвожденные силой поверхностного натяжения. Пытаясь взлететь, мотыльки не переставали дергаться, и от них по воде шла рябь. Эффект накладывающейся ряби до того завораживал, что я разрывался между стремлением спасти мотыльков и желанием понаблюдать за ними.

Глядя на одинаковые длины волн круговой ряби, я понял, что мотыльки пытаются махать крыльями с одинаковой частотой. В какой-то момент мотыльки оказались совсем близко друг к другу: волны ряби, сочетаясь, образовали явление довольно эффектное — интерференцию. Расходясь от попавших в западню насекомых, волны образовывали определенный рисунок из линий, расходящихся лучами. Линии расходились в промежутках между волнами, а вдоль промежутков две группы волн либо складывались, образуя особенно крупную рябь, либо нейтрализовали друг друга. Вода выглядела так, как показано на рисунке на следующей странице.

Линии относительно спокойной воды проходят там, где гребни волн от одного мотылька совпадают с подошвами волн от другого мотылька. Таким образом, не совпадая по фазе, волны друг друга нейтрализуют, то есть происходит интерференция с ослаблением. Между ними проходят линии гораздо интенсивнее волнующейся водной поверхности — там, где рябь совпадает по фазе, то есть гребни волн от одного мотылька встречаются с гребнями волн от другого мотылька, равно как и подошвы. В данном случае, поскольку волны складываются, имеет место интерференция с усилением. Только в том случае, когда два источника порождают волны одинаковой высоты и с одинаковой частотой, совпадающие по фазе, результатом становится такая вот интерференция по определенной схеме. Думаю, если бы мотыльки взмахивали крыльями с разной скоростью, рисунок на воде был бы совсем другим.

По-своему красивое явление интерференции волн, исходящих от несчастных мотыльков, у которых не хватает сил вырваться из плена воды в резиновом бассейне моей маленькой дочери

Я вдруг заметил у ближайшего края прямоугольного бассейна перемежающиеся области с большим и меньшим волнением — это достигли бортика линии интерференции с усилением и ослаблением. Наконец, я почувствовал, что наблюдения за волнами принимают уже садистский характер, и решил положить этому конец. Зачерпнув воду с мотыльками, я положил их на деревянный пол террасы, чтобы они обсохли. И потом порхали еще день (или ночь).

Находясь на борту самолета, можно увидеть характерный рисунок интерференции волн в гораздо более крупных масштабах. Если посмотреть в иллюминатор на простирающийся внизу океан, иногда можно заметить, как равномерно расходящиеся линии зыби, идущие в одном направлении, накладываются на линии зыби, идущие в другую сторону. Линии сливаются, образуя своего рода сетку из наложенных и нейтрализованных гребней и подошв. По правде говоря, все волны одного типа, проходя друг через друга, интерферируют подобным образом, если, конечно, это не ударные волны, для которых закон не писан.

* * *

Поскольку явление интерференции лежит в самой основе поведения волн, неудивительно, что его демонстрируют и волны световые. Однако для того, чтобы раскрыть механизм образования переливчатого цвета на крыльях павлиньего глаза, придется копнуть глубже.

Электромагнитные волны видимого нам спектра варьируются от примерно 400-450 нанометров (нм)[61] (для нас это темно-синий и голубой) до примерно 700-750 нм (мы видим это как красный). Границы каждого спектра невозможно определить четко — нельзя сказать, где заканчивается один цвет и начинается другой, все зависит от окружающих условий и особенностей зрения воспринимающего. Например, гремучники Центральной Америки наловчились различать более длинные инфракрасные волны, исходящие от их жертв в виде тепла, а пчелы различают более короткие ультрафиолетовые волны, отражаемые некоторыми цветками. Однако для нас, людей, и инфракрасные, и ультрафиолетовые волны невидимы.

Тот факт, что длина световой волны определяет ее цвет, является главным для понимания того, почему крылья павлиньего глаза переливаются всеми цветами радуги.

Не обладающие пигментом гироиды образуют цвета в результате интерференции; синий же цвет объясняется тем, что световые волны длиной в 400 нм выглядят синими.