Свет и время. Размышления на границе естествознания и Богопознания

И центральный, всеобъединяющий феномен — это свет.

СВЕТ И ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА

Как здесь красиво! Какой чудесный вид! Посмотри, как хорош закат! Что за прекрасное произведение искусства! До чего милая девушка, только погляди на ее улыбку!

Ни одно из этих впечатлений невозможно без помощи света. Только при свете мы можем видеть, делать свои дела, читать книги и фотографировать. Усвоение световой энергии позволяет растениям извлекать питание, расти и превращаться в пищу для животных и людей. Растения же преобразуют световую энергию в топливо и сохраняют ее для нас. Световая энергия, воздействуя на море и атмосферу, производит испарения, облака, дожди и орошение полей.

Познакомимся же со светом поближе и постараемся понять его связь с другими явлениями.

Волны

Физика учит, что свет имеет волновую структуру. Простейший способ увидеть волну — это сунуть прут в воду и равномерно двигать его вверх-вниз. Если поверхность была спокойной, то от прута, как от центра, побегут водяные круги. Каждый толчок вниз вытесняет часть воды в сторону, образуя маленький гребень, разбегающийся от прута. Но вода в гребне откуда-то взялась, и поэтому за гребнем следует впадинка, подошва волны.

Можно заметить, что отдельные частицы воды не слишком сильно перемещаются. Их смещение ограничено узкой круговой полосой. Только фронт волны непрерывно расходится по всей водной поверхности.

Нечто похожее произойдет, если ударить по зубцам камертона. Зубцы начнут вибрировать — равномерно двигаться взад-вперед. Правда, эти движения так малы и быстры, что обычно их трудно заметить. При всяком движении в стороны зубцы расталкивают перед собой воздух и создают небольшое сжатие (сравнимое с вышеописанным гребнем волны). Сдвигаясь тут же внутрь, навстречу друг другу, они увлекают за собой воздух и получается разрежение, сравнимое с подошвой волны.

Эти сжатия и разрежения станут, подобно водяным волнам, распространяться от центра волнообразования, в данном случае — камертона.

Рис. 1. Круговые волны на воде. (Вид сверху, схематическое изображение.) Стрелки показывают, что направление расхождения волн (представленное радиусами), всегда перпендикулярно фронту волны.

Рис. 2. Когда короткие водяные волны встречают препятствие, возникает теневой эффект. Радиусы не отклоняются, и волны не огибают преграду. Границы тени обозначены пунктирной линией.

Так создаются воздушные волны. Они и есть физическая причина слышных нам звуков. Звуковые волны невидимы, но их можно легко продемонстрировать с помощью приборов. Таким образом, хотя их нельзя увидеть непосредственно, их можно назвать наблюдаемыми, потому что с помощью приборов можно построить их изображение.

Как капли воды, так и частицы воздуха просто движутся взад-вперед в очень узких пределах. Можно сказать, что они колеблются. Сами же звуковые волны, образованные сменой сжатий и разрежений, распространяются в окружающем воздухе со скоростью 340 метров в секунду. Высота тона, даваемая камертоном, зависит от быстроты, с которой его зубцы движутся взад-вперед, то есть от того, сколько вибраций происходит с прилегающим к нему воздухом за одну секунду. Чем быстрее дрожат зубцы, то есть, чем выше частота, тем выше тон.

Приведенные примеры двух разных типов волнообразования дают представление о концепции волнового движения. Волны обладают энергией и способны воздействовать на встречные предметы — например, раскачать лодку или вызвать вибрацию барабанной перепонки. Волны, таким образом, есть средство передачи энергии, энергетическая радиация.

Физической причиной света тоже являются волны. Но те волны, о которых говорилось выше, нуждаются для распространения в воде или воздухе, то есть в некой материальной среде. Свет же, похоже, лучше всего распространяется в пустоте, и с огромной скоростью — 300 000 км в секунду.

Но если свету не нужна для распространения никакая материальная среда, то его колебания не порождаются никакими материальными частицами. Значит, природа световых волн существенно отличается от природы водяных или воздушных волн. В данном случае колебания создаются немыслимо быстрыми и малыми изменениями электрических и магнитных полей — изменением их векторов. Следовательно, можно сказать, что свет состоит из электромагнитных волн, и хотя очень трудно понять, как происходят эти изменения, мы легче поймем их последствия, основываясь на вышеприведенных опытах с волновым движением.

Если у звуковых волн частота задает высоту тона, то у световых она определяет цвет. Хорошо известно, что, проходя сквозь стеклянную призму, белый свет разлагается на непрерывный ряд цветов — от фиолетового до красного, то есть превращается в радужный спектр.

Длина волны включает в себя гребень с подошвой у водяных волн и сжатие с разрежением у воздушных. Чем выше частота световых и звуковых волн, тем короче их длина и наоборот.

Если на пути распространения коротких водяных волн поместить небольшой предмет, то на обратной стороне предмета возникнет тень, в границах которой водяная поверхность останется спокойной (рис. 2). Но главное направление волн, то есть направление их распространения, останется прежним.

Подобным же способом легко показать, что короткие волны могут точно и единообразно отражаться от встречной плоской поверхности (рис. 3).

Однако если длина волн равна или больше размеров преграды, то картина изменится. Волны будут явным образом огибать преграду, не образуя тени, а направление волн, путь излучения, отклонится от прямой линии и изогнется в сторону (рис. 4). Более того, длинные волны вообще не испытывают регулярных отражений от небольших препятствий.

Свойства, описанные на примере водяных волн, присущи волнам любой природы, включая звуковые и световые. В общем виде, если длина волн мала сравнительно с предметом, который они встречают или обходят (таковы, например, световые волны), то волны продолжают распространяться по прямой. Это свойство света позволяет отчетливо видеть детали и обводы предметов. Им же объясняется резкая очерченность теней при солнечном свете. Длина световых волн равна лишь нескольким десятитысячным миллиметра. Это позволяет нам с помощью законов геометрической оптики выразить особенности распространения лучей света, например, их отражение и преломление.

Мы также знаем, что есть особые обстоятельства, когда луч света искажается, огибая острый край предмета или проходя сквозь узкое отверстие. Если посмотреть на уличный фонарь через плотную ткань, то видимый световой узор, похожий на звезду, объясняется именно этим явлением.

Иначе дело обстоит со звуковыми волнами. Длина их достигает нескольких метров. Поэтому, если между нами и уличным оркестром окажется дом, то звуки музыки не вполне отразятся от него, но частично обойдут дом, прежде всего низкие, длинноволновые удары большого барабана. А вот высокие дискантовые тона дойдут до нас хуже, потому что они состоят из сравнительно коротких волн.

В главе «Наши чувства и внешний мир» мы рассмотрим, как подобные факты существенно влияют на наши органы чувств, создающие картину внешнего мира.

Рис. 3. Короткие волны могут заданным образом отражаться от плоской поверхности. Отраженные волны распространяются прямолинейно.

Рис. 4. Если длина водяных волн больше размера преграды или равна ей, то преграда огибается волнами. Волновая тень не возникает, а направление движения искривляется.

Резонанс

Кратко опишем еще одно явление, присущее волновым колебаниям. Для этого удобнее всего взять звуковые волны.

Камертон можно заставить колебаться. То же самое возможно и с диском, со струной, с воздушным столбом или с поверхностью стола. Если позволить любому из них колебаться свободно, то всякий станет колебаться на свой лад, в зависимости от своего размера и материала. Следовательно, для всякой вещи характерен определенный род колебаний. Числовой показатель периода таких колебаний или их частота называется частотой собственных колебаний. Ее обычно указывают на камертоне. Испытав удар, камертон должен звучать на одной отчетливой ноте, заданной периодом его собственных колебаний.

Если поднести камертон к уху, то звук будет довольно слабым; но если поместить камертон на столе или напротив окна, то звук значительно усилится.

Рис. 5. Камертон помещен на резонатор, который стоит на войлочных прокладках. Рядом молоток с резиновой головкой для удара по камертону.Рис. 6, 7. Здесь представлены два одинаковых камертона, А и В, каждый на своем резонаторе. Расходящиеся круги изображают звуковые волны. Рис. 6 показывает, как вызванные ударом по камертону А звуковые волны приводят в движение камертон В. Из рис. 7 видно, что прикосновением резиновой головки можно остановить колебания камертона А и тем убедиться, что прежняя нота продолжает звучать, благодаря вибрации камертона В. Необходимая энергия усвоена камертоном В из звуков волн камертона А.

Камертон передает свою вибрацию соседнему предмету, который начинает колебаться похожим образом. Эти наведенные колебания порождают звук того же тона, и общая сила звука увеличивается. Длительность его, однако, сокращается, поскольку общее количество энергии осталось тем же самым. При этом подразумевается, что мы в обоих случаях ударили по камертону с равной силой.

Такой наведенный отзвук будет сильнее всего, если у отзывающегося предмета та же частота собственных колебаний, что и у камертона. Если поставить камертон на небольшой деревянный ящик, открытый с одной стороны и устроенный так, чтобы заключенный в нем воздушный столб имел ту же частоту собственных колебаний, что и камертон, то, ударив по камертону, мы получим значительное усиление звука. Это явление называется резонансом, а ящик — резонатором.

Итак, резонанс возникает, когда есть два предмета, способные колебаться в унисон. Для возникновения резонанса необязательно соприкосновение обоих вибрирующих предметов. Колебания могут передаваться в виде воздушных волн. Это подтверждается следующим опытом. Два одинаковых камертона, А и В, каждый на своем резонаторе, расположены на некотором расстоянии друг от друга. Достаточно ударить по А, чтобы В немедленно отозвался на той же ноте (рис. 6). Можно показать, что, остановив или даже убрав А (рис. 7), мы не прекратим звучания В. Продолжая опыт, мы можем начинать то с В, то с А, пока не убедимся, что звук способен передаваться в обоих направлениях между А и В.

Рис. 8, 9. На рис. 8 представлены два разных камертона, А и С. Частота колебаний второго ниже, чем первого. Рис. 9 показывает, что С не отзывается на колебания А и что после остановки колебаний А наступает тишина. (Ради большей наглядности звуковые волны показаны более короткими, чем в действительности.)

Теперь, если вместо В мы возьмем камертон С, с периодом собственных колебаний, отличным от А, то результат опыта будет иным. От удара зазвучит только камертон А, после его остановки наступит тишина. Всякое звучание прекращается, потому что С не отзывается на колебания А. Следовательно, резонанс зависит от равенства периода собственных колебаний обоих камертонов. Только при этом условии один из них отзовется на колебания другого. Резонанс всегда сопровождается сильным поглощением энергии.

Явление резонанса известно во всех областях, связанных с колебаниями и волнами. Порой с резонансом нужно считаться всерьез. Например, иногда он бывает причиной аварий. Всякую лодку особенно сильно качает, если длина волн соотносится с ее размерами (длиной или шириной). Мост может рухнуть, если по нему в ногу зашагают солдаты, и частота их шага будет близкой к частоте его собственных колебаний. Если частота собственных колебаний каких-нибудь деталей машины соотносится с числом оборотов ротора, то эти детали могут сломаться или разболтаться. Порой, когда резонансные колебания очень сильны, резонирующий материал не выдерживает. Рассказывают, что Карузо, забавляя своих гостей, брал со стола бокал и пел в него. Бокал разлетался вдребезги.

В то же время резонанс может быть полезным. Его используют в музыке, в акустике и при работе со светом и другими электромагнитными волнами.

Когда разные предметы освещаются белым (солнечным) светом, они выглядят разноцветными. Это происходит оттого, что некоторые цвета, составляющие белый свет, поглощаются в силу резонанса, а остальные цвета отражаются и воспринимаются как цвет данного вещества.

Для звездной астрономии очень важно следующее явление. Свет, излучаемый ядром солнца или звезды, должен пройти сквозь слои раскаленных газов, окружающих эти небесные тела. Согласно принципу резонанса, каждый газ поглощает ту часть светового спектра, частота которой характерна для частоты собственных колебаний этого газа. Поэтому, изучая спектрограммы излучений разных звезд, можно сделать выводы о составляющих их элементах. Поглощенные газами цвета не видны или сильно ослаблены на спектрограмме, что позволяет судить о химическом составе данной звезды.