Александр Штейнгауз - Девять цветов радуги

Надо быть осмотрительным в истолковании даже самых простых и широко распространенных слов, если они используются в науке. Об этом рекомендуется помнить при чтении любых книг, посвященных вопросам науки и техники; с этим еще не раз придется встретиться и на страницах этой книги.

Как пример можно привести простое и всем нам знакомое слово «волна».

Прежде всего узнаем, что буквально означает слово «волна». Вернее, что означало оно в те времена, когда наука еще не занимала в жизни людей столь важного места, как сейчас. Сделать это нетрудно. Стоит лишь раскрыть «Толковый словарь живого великорусского языка» Владимира Даля, изданный впервые примерно сто лет назад.

«Волна, — говорится там, — водяной гребень, гряда, долгий бугор, поднявшийся при всколыхании вод ветром или иною силою».

Но понял ли Даль, этот великий русский знаток языка, такую фразу: «Говорит Москва! Работают радиостанции на волнах 1700, 350 и 4,52 метра»? Нет, не понял бы. Потому что в данном случае это слово используется в совершенно ином смысле — в том, который вложили в него физики.

Хотя, надо сказать, они не случайно выбрали именно его.

Первым видом волнового движения, которое пришлось наблюдать и исследовать ученым, было движение волн на поверхности воды — таких, которые возникают и разбегаются по ее спокойной глади от брошенного камня или от плеснувшей рыбы. Хотя волны на поверхности воды были первыми, которые наблюдали ученые, по мере изучения всех прочих видов волн оказалось, что эти волны обладают целым рядом особенностей. Но все же с примера поверхностных волн, который приводится почти во всех учебниках по оптике, легче всего начать разговор о других видах волн.

Такие волны расходятся кругами. Скорость их движения постоянна и одинакова для всех идущих друг за другом гребней; каждый последующий отстает от предыдущего на одинаковое расстояние. Расстояние между двумя соседними гребнями (или между впадинами) называется длиной волны, хотя, может, было бы лучше, если бы его, по аналогии с винтовой резьбой, назвали шагом волны. Заметьте, что и слово «длина» здесь употребляется в не совсем привычном нам смысле; обычно она измеряется вдоль чего-то, а в данном случае — поперек.

Если на пути волн окажется любой легкий предмет — поплавок или щепка, — они не поплывут вслед за волнами, а останутся на прежнем месте.

Но это не значит, что предметы вообще будут неподвижными. Они приподнимутся на гребне, опустятся во впадину, снова поднимутся и снова опустятся. Значит, волна все-таки заставляет их двигаться. Но это движение совсем не совпадает с направлением распространения волн — оно оказывается поперечным, перпендикулярным ему.

Но почему же тогда речное течение всегда сносит любые плавучие тела? Не противоречит ли это тому, что было сказано о волнах? Нисколько. Из этого можно сделать лишь один вывод: волны и течение — явления совершенно различные. В реке нас сносит течением воды, то есть движением всей массы воды, направленным в одну сторону. Когда же по воде идет волна, то каждая капля воды, каждая молекула не следует за ней. Они остаются на месте и только опускаются и поднимаются, подобно поплавку, совершая поперечные колебания.

Однако, наблюдая волны, мы определенно видим движение. Что же в таком случае движется?

Ответ, к сожалению, совсем не простой и довольно неожиданный. Пожалуй, сперва его следует лишь запомнить, как запоминают новый, непривычный факт, привыкнуть к нему, не особенно вдаваясь в объяснения.

Обычно, говоря о движении, мы обязательно представляем себе нечто перемещающееся: едущий автомобиль, летящий самолет, плывущий корабль, катящийся шар, идущего человека и так далее. Вся наша повседневная жизнь, весь опыт приучают нас именно к такому пониманию этого слова. Без привычки мы не можем понять и, тем более, представить себе такую форму движения, которая не сопровождалась бы соответствующим перемещением какого-либо тела.

Но распространение волны как раз и является таким движением, которое отличается от привычных и понятных нам видов.

При распространении волны в воде (или в других средах) следует различать два вида движений. Так, наблюдая волны на поверхности воды, мы видим гребни и впадины, расходящиеся кругами. Это движутся волны. Они распространяются от источника колебаний во все стороны с равной скоростью. Движение волны совсем не похоже на связанное с ним движение частиц воды. Последние тоже движутся, но лишь вверх и вниз. Каждая частица, каждая молекула колеблется относительно того положения, в котором она находилась до возникновения волн, а не перемещается совместно с волной. Именно поэтому поплавок остается на месте и совершает только колебательные движения, поднимаясь и опускаясь на волнах. Таким образом, наблюдаемое движение волн не является переносом, перемещением каких-либо тел из одной точки пространства в другую. Перемещается только состояние среды. То движение, которое мы наблюдаем как непрерывное расширение кругов на воде, есть всего лишь колебание молекул, ее составляющих, передающееся от одной к другой в том направлении, в котором мы видим движение волн.