Дополнение А.1. Звук и свет

Звук и свет обусловлены колебаниями и могут поэтому передаваться в виде волн, позволяющих судить о свойствах источника этих колебаний.

Характеристики волны. Присущая волне синусоидальная форма определяется гребнями и впадинами, которые следуют друг за другом как отклонения от базисной прямой, представляющей среднюю (равновесную) величину.

Гребень и следующая за ним впадина составляют цикл,исходя из которого можно провести различные измерения и определить характеристики данной волны. Время, необходимое для совершения цикла, называется периодом.

Волна описывается двумя основными характеристиками. Первая из них, амплитуда,отражает мощность или интенсивность колебания. Вторая, частота,дает представление о том, как происходит колебание во времени.

Амплитуда волны соответствует расстоянию между базисной прямой и вершиной гребня. Это расстояние тем больше, чем интенсивнее (мощнее) волновой сигнал.

Частоту чаще всего оценивают по числу циклов, совершаемых за одну секунду, и выражают в герцах (1 Гц = 1 цикл в секунду). Частота определяет высоту звука или цветовой тон света. В случае света, однако, частота колебаний настолько высока (до многих сотен тысяч миллиардов герц), что предпочитают пользоваться длиной волны, т. е. расстоянием между гребнями двух соседних циклов. Этот показатель используют для определения и классификации различных волн электромагнитного спектра, включающего и волны света, воспринимаемого глазом (см. рис. Ц.1).

Звуковые волны. Звук представляет собой движение молекул воздуха, вызываемое колеблющимся физическим телом (например, струной гитары, камертоном или мембраной громкоговорителя). Воздушная среда совершенно необходима для распространения звука в пространстве; ее возвратно-поступательные движения во время колебаний сопровождаются последовательными волнами сжатия и разрежения воздуха, которые распространяются со скоростью около 330 метров в секунду. Прежде всего это означает, что звук не может распространяться в вакууме, в котором, стало быть, всегда царит абсолютная тишина. Если нет отражателя или резонатора, звук распространяется главным образом в направлении колебаний физического тела.

Амплитуда звуковой волны определяет интенсивность звука. Чем больше молекулы воздуха отклоняются от их среднего положения, тем больше амплитуда волны.

От частоты звуковой волны зависит высота слышимого звука, т. е. будет ли данный звук восприниматься как высокий (если число колебаний в секунду велико) или (в противном случае) как низкий.

Эти две характеристики воспринимаемых звуков взаимосвязаны. Фактически высокие звуки всегда кажутся более интенсивными, чем низкие, даже если их волны имеют одинаковую амплитуду.

Существует еще одна психологическая характеристика звука, называемая тембром. Она зависит от гармоник основного звука. Гармоники возникают вследствие того, что колебания струны, как и любого другого предмета, включают ее вибрацию не только по всей длине, но и в каждой из двух половин, в каждой третьей, четвертой или какой-либо другой ее части, которые, таким образом, добавляют частоты своих колебаний к основной частоте колебаний струны, по отношению к которой они будут кратными. Число и богатство гармоник, разумеется, зависит от типа и качества музыкального инструмента, что и позволяет уху отличать один инструмент от другого. Даже если гармоники, присутствующие в звуках трубы и скрипки, имеют одинаковую частоту и интенсивность, они заставляют эти инструменты звучать по-разному; да и скрипки в зависимости от того, сделаны ли они «конвейерным способом» или изготовлены Страдивариусом, имеют разный тембр звука [*].

[Достаточно, однако, с помощью фильтров освободиться от всех гармоник, и отличить звучание одного музыкального инструмента от другого будет невозможно.]

Световые волны. Свет представляет собой колебания электромагнитного поля и распространяется в виде квантов энергии, называемых фотонами [*].Идет ли речь о Солнце, пламени свечи или электрической дуге, фотоны образуются в источниках, в которых тепловая энергия вещества преобразуется в энергию излучения. В газообразной среде, жидкости или абсолютном вакууме свет распространяется во всех направлениях. Скорость его распространения в пустоте постоянна и составляет приблизительно 300 000 километров в секунду.

[Энергия фотонов лежит в основе всей жизни на нашей планете. Эта энергия активирует хлорофилл растений, что дает возможность живой материи синтезировать органические вещества и вырабатывать механическую или тепловую энергию.]

Амплитуда световой волны соответствует интенсивности света и зависит от числа фотонов, испускаемых источником света за одну секунду [*].

[Так, лампа мощностью 50 Вт испускает за 1 секунду примерно 4 миллиарда миллиардов (4∙10¹⁸) фотонов.]

Частота световых колебаний настолько велика, что, как уже отмечалось, ее выражают в виде длины волн. В электромагнитном спектре, простирающемся от космических лучей с длиной волны менее 10 тысячных долей нанометра до гораздо более длинных радиоволн (длина их может превышать 10 км), где-то в середине располагается спектр видимого света с длинами волн от 400 нм (фиолетовая часть спектра) до 700 нм (красная часть спектра).

Свет чаще всего представляет собой смесь волн разной длины. Крайний случай в этом отношении — белый солнечный свет, содержащий все типы излучения. Обычно свет некогерентен,так как является результатом колебания большого числа атомов со случайными фазовыми соотношениями. Только луч лазера,в котором эти соотношения упорядочены, представляет собой когерентный свет высокой чистоты.

Белый свет можно разложить на различные составляющие, пропустив его через прозрачную призму, которая разделяет его на разноцветные пучки от фиолетового до красного с плавными переходами между ними.

Когда свет проходит через прозрачную пластинку, сквозь нее проникает большинство фотонов. Если же предмет непрозрачен, то часть фотонов поглощается, а другая — отражается. В одном из крайних случаев предмет поглощает световые волны любой длины и кажется глазу черным, так как вовсе не отражает света, а в другом крайнем случае он отражает все световые волны и кажется поэтому белым. Во всех остальных случаях предметы отражают световые волны большей длины и поглощают волны меньшей длины или, наоборот, отражают волны меньшей длины, поглощая более длинные волны; в первом случае видимый цвет предмета будет ближе к красному, а во втором — к синему, а точный оттенок будет зависеть от длины отражаемых волн.