Абсолютный минимум - Страница 11

Рис. 3.3. Две одинаковые волны, сдвинутые на 180° по фазе. Эти волны испытывают положительные и отрицательные колебания относительно нуля (горизонтальная линия). Положительные пики верхней волны строго выровнены с отрицательными пиками нижней волны, а отрицательные пики верхней волны строго выровнены с положительными пиками нижней волны. Волны испытывают деструктивную интерференцию, когда складываются друг с другом и дают нулевую амплитуду

На рис. 3.3 каждой точке верхней волны, имеющей положительное значение, строго соответствует точка нижней волны, имеющая такое же по абсолютной величине отрицательное значение, а каждой точке верхней волны, имеющей отрицательное значение, соответствует точка нижней волны, имеющая такое же по абсолютной величине положительное значение. Таким образом, волны в точности гасят друг друга, давая нулевую амплитуду, как показано в правой части рисунка. Это взаимное гашение называется деструктивной интерференцией.

Интерференционные картины и оптический интерферометр

Для интерференции волнам не обязательно строго накладываться друг на друга и идти в одном направлении. Они могут просто перекрываться в некоторой области пространства, и тогда интерференция происходит в этой области. Когда в 1980 году в Сан-Франциско открылся симфонический концертный зал Дэвиса, в нём обнаружились акустические проблемы. Хотя они оказались крайне сложными, нетрудно понять, как они возникли.

Представьте, что вы сидите в зале достаточно далеко от оркестра. Когда звучит ля первой октавы (440 Гц), акустические волны приходят прямо к вам, но они также отражаются от стен с обеих сторон от вас. При наличии отражения от стены справа от вас и отражения от стены слева от вас отражённые акустические (звуковые) волны от каждой стены приходят к вашему ряду кресел, скажем, под углом 30° и порождают вдоль него интерференционную картину. Будут места, где отражённые волны интерферируют конструктивно, делая звук громче, и места, где волны интерферируют деструктивно, делая звук тише. Интервалы между пиками и нулями интерференционной картины составляют 0,73 м (см. ниже формулу для интервалов). Таким образом, в зависимости от расположения вашего кресла ля первой октавы будет звучать громче или тише. Конечно, к вам приходит множество акустических волн разной частоты с разных направлений. Совокупность интерференционных эффектов искажает звук, который должен был приходить к вам прямо от оркестра. Проблемы в концертном зале Дэвиса были устранены в 1992 году путём установки 88 тщательно спроектированных панелей, свисающих с потолка вдоль двух боковых стен. Там нет двух одинаковых панелей. Они заполнены песком и весят 3850 кг. Эти панели мешают отражениям от стен доходить до аудитории.

Свет также может демонстрировать явление интерференции. Классическое представление об оптических интерференционных картинах позволяет объяснить экспериментальные результаты, которые мы сейчас рассмотрим. Однако, как будет показано в главах 4 и 5, классическое описание в итоге оказывается несостоятельным, когда в расчёт принимаются другие эксперименты. Для корректного описания потребуется ввести квантовомеханический принцип суперпозиции, что вновь приведёт нас к котам Шрёдингера.

Рис. 3.4. Входящая световая волна падает на полупрозрачное зеркало. Половина света проходит сквозь зеркало, а половина отражается от него. В каждом плече интерферометра свет отражается от стоящего в конце зеркала. Части каждого пучка сходятся под небольшим углом в области перекрытия. Справа от обведённой кружком области перекрытия в увеличенном масштабе в разрезе по x показано, что видно там при пересечении двух пучков. Именно в этом месте возникает интерференционная картина, в которой интенсивность периодически меняется вдоль оси x от максимального значения до нуля

На рис. 3.4 представлена схема интерферометра, использованного Майкельсоном (Альберт Абрахам Майкельсон, 1853–1931) в его исследованиях природы световых волн. Майкельсон получил в 1907 году Нобелевскую премию по физике

...

«за создание точных оптических инструментов, а также спектроскопические и метрологические исследования, выполненные с их помощью».

Майкельсон со своим коллегой Морли использовали интерферометр в попытке выяснить природу среды, в которой распространяются световые волны. Водяные волны движутся по воде. Звуковые волны — в воздухе. Эксперимент Майкельсона-Морли показал, что световые волны для своего распространения не нуждаются в среде, которую называли эфиром. Свет распространяется в вакууме. Не существует никакого эфира, заполняющего пространство. Световые волны, приходящие к нам от звёзд, не нуждаются в какой-либо среде, подобно океанским и звуковым волнам, которые представляют собой колебания воды и воздуха соответственно. Это был важный шаг в понимании того, что световые волны не являются волнами в том же самом смысле, что звуковые волны. Здесь же мы хотим лишь понять классическое описание того, что наблюдается с помощью интерферометра.

На рис. 3.4 луч света, рассматриваемый как световая волна, входит в прибор слева. Свет падает на полупрозрачное зеркало, расщепляющее пучок, которое отражает 50 % света и пропускает оставшиеся 50 %. При волновом описании света нетрудно направить часть волны одним путём, а часть — другим. Отражённый свет идёт вертикально в плоскости страницы, отражается от концевого зеркала 1, которое слегка наклонено так, чтобы отражённый луч не вернулся строго назад по первоначальному пути. Отражённый луч идёт вниз по странице и частично проходит сквозь зеркало-расщепитель. (Часть пучка отражается от расщепителя, но нас эта часть не интересует.) Данный маршрут представляет собой первое плечо интерферометра. 50 % исходного пучка проходит сквозь расщепитель и попадает на концевое зеркало 2, которое также наклонено под небольшим углом. Отразившись от него, луч вновь возвращается налево, почти повторяя свой первоначальный путь. Он отражается от расщепителя. (Часть, которая проходит сквозь расщепитель, нас не интересует.) Отражённая часть направляется вниз по странице. Этот маршрут представляет собой второе плечо интерферометра. В результате лучи, прошедшие один по первому плечу, а другой — по второму, сходятся вместе, пройдя одно и то же расстояние, и пересекаются под малым углом в «области перекрытия», которая обведена на рисунке кружком. Это наложение световых волн подобно наложению звуковых волн в симфоническом концертном зале Дэвиса, которое вызвало проблемы с интерференцией.