§ 48. Интерференция и дифракция света

Долгое время физики изучали лишь то, как лучи меняют направление при встрече с преградами, не задумываясь о его природе. Вопросы о сущности света волновали мыслителей с древних времён. Ближе к концу семнадцатого столетия научное сообщество разделилось на два лагеря. Исаак Ньютон отстаивал корпускулярный подход, согласно которому излучение испускается источником в виде мельчайших частиц. Движение этих элементов подчинялось законам механики, поэтому отражение от зеркала он сравнивал с отскоком шарика от стены. В противовес ему Христиан Гюйгенс выдвинул волновую гипотезу, утверждая, что свет распространяется в виде колебаний через невидимую упругую среду, которую называли эфиром. Эта гипотетическая субстанция должна была заполнять всё пространство, включая вакуум, чтобы передавать колебания от звёзд к Земле.

Обе концепции эффективно описывали закон прямолинейного распространения, а также законы отражения и преломления. На протяжении всего восемнадцатого века они мирно сосуществовали, набирая сторонников в каждом научном центре. Однако в начале следующего столетия ситуация изменилась, когда учёные поставили эксперименты, доказавшие волновую природу света. Прежде чем переходить к доказательствам, следует разобраться с ключевым эффектом, присущим любой волне, — интерференцией. Само слово происходит от латинских корней, означающих взаимное столкновение. Начать знакомство с этим феноменом удобнее всего, наблюдая за поведением волн на водной глади.

Над спокойной поверхностью водоёма размещают вертикальный стержень, на котором закреплена специальная насадка. Она состоит из тонкой пластины, к краям которой приделаны две гибкие проволочки. Когда стержень начинают приводить в вертикальные колебания, концы проволочек ритмично погружаются в жидкость. Это действие постоянно возбуждает рябь, расходящуюся от каждой точки погружения. Каждая проволочка формирует собственную систему круговых волн, распространяющихся по воде с одинаковой частотой. Важно отметить, что для устойчивой картины источники должны быть когерентными, то есть колебаться строго синхронно.

Когда две системы волн пересекаются, на поверхности образуется устойчивый узор, который можно увидеть на схеме. Некоторые участки остаются практически неподвижными, например, точки, лежащие на линии, обозначенной как АА. В то же время существуют зоны, где жидкость поднимается и опускается с максимальной амплитудой, как на линии ВВ. Подобное чередование зон покоя и сильного волнения, не меняющееся со временем, в физике называют интерференционной картиной. Это явление возникает исключительно благодаря наложению волновых возмущений.

Чтобы понять причину распределения, нужно рассмотреть точку на воде, через которую проходят обе волны. Если в определённый момент гребень одной волны совпадает со впадиной другой, их воздействия взаимно компенсируются. Амплитуда результирующего колебания в таком месте становится заметно меньше исходных значений.