Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Как указывалось выше, окружающая среда переполнена всевозможными видами волн: радиоволнами, волнами видимого света, океанскими волнами, «тяжеловесными» звуковыми волнами, издаваемыми китами под водой, и высокочастотными сигналами эхолокации, используемыми летучими мышами. Все эти разнотипные волны мирно сосуществуют в общей среде, никак не влияя друг на друга. Но есть еще один вопрос, на который нам предстоит ответить. Что происходит вследствие пересечения однотипных волн? Результат такого пересечения выглядит великолепно, когда вы держите на ладони переливающуюся жемчужину, но представляется крайне нежелательным, когда разговариваете по мобильному телефону.

Двустворчатый моллюск (морская жемчужница) Pinctada maxima обитает на морском дне, на глубине нескольких метров в лазурных водах вблизи Таити и других островов, расположенных в южной части Тихого океана. Когда он питается, две створки его раковины слегка раскрываются, и он всасывает в больших количествах морскую воду (по нескольку галлонов в сутки), отфильтровывает питательные вещества и усваивает их. Очищенная таким образом вода возвращается в океан. Проплывая над моллюском, вы можете даже не заметить его, поскольку его шершавая, бежево-коричневатая раковина превосходно маскируется под окружающую среду. Эти фильтры океанской воды сочетают в себе высокую функциональность и неброский внешний вид. То, что скрывается под их створками, изначально не предназначалось для посторонних глаз. Тем не менее Клеопатра, Мария Антуанетта, Мэрилин Монро и Элизабет Тейлор с гордостью носили жемчужные украшения, изготовленные из загадочного содержимого раковин Pinctada maxima и других жемчужных устриц.

Время от времени между створок устриц попадает какой-то посторонний предмет, не усваиваемый организмом моллюска, но оказывающий на него раздражающее действие. Поскольку моллюск не в состоянии от него избавиться, он окутывает его в безвредную оболочку из такого же материала, каким покрыта внутренняя поверхность створок раковины. Это похоже на то, как нерадивая хозяйка наскоро сметает мусор под ковер, вместо того чтобы выбросить его в корзинку для мусора (к сожалению, даже по прошествии значительного времени мусор под ковром не приобретает большой ценности – в отличие от жемчужины). Это покрытие выполнено из крошечных пластиночек (бляшек), скрепляемых между собой органическим клеем и наслаивающихся друг на друга. Процесс строительства оболочки очень длительный (недавно было обнаружено, что в ходе формирования жемчужины она вращается вокруг собственной оси, причем на один полный оборот уходит около пяти часов). Приливы сменяются отливами, один сезон другим, мимо проплывают акулы, морские скаты и черепахи, а моллюск спокойно лежит на дне, пропуская через себя океанскую воду и медленно проворачивая между своими створками формирующуюся жемчужину.

Такая безмятежность длится годами, пока в один не самый удачный для моллюска день его не достанет с морского дна ловец жемчуга и не вскроет створки раковины. Когда солнечный свет впервые попадает на жемчужину, извлеченную из-под створок моллюска, световые волны отражаются от ее ярко-белой поверхности. Но не просто от верхнего слоя бляшек, а частично проникают в нижние слои бляшек, отражаясь и от них. Может произойти несколько таких отражений, прежде чем свет выйдет наружу. При этом возникает ситуация, когда волны одного и того же типа – пускай это будет зеленая составляющая солнечного света – налагаются друг на друга. Они по-прежнему не оказывают взаимного влияния, но складываются между собой. Иногда зеленая световая волна, которая отразилась от верхнего слоя жемчужины, точно совпадает по фазе с зеленой световой волной, отразившейся от следующего слоя, расположенного непосредственно под верхним. Поскольку эти волны совпали по фазе, их пики и впадины идеально сочетаются друг с другом. В нашем случае это означает усиление зеленой световой волны. Но, возможно, у красной составляющей солнечного света, падающей на жемчужину под таким же углом и отражающейся от разных слоев аналогичным образом, не происходит столь идеального совпадения по фазе: пики от одной красной световой волны совмещаются со впадинами другой красной световой волны; иными словами, эти волны налагаются друг на друга в противофазе. А это приводит к тому, что в данном направлении красный свет вообще не выходит из жемчужины.

Именно благодаря этому слоистому строению жемчуга невзрачный моллюск, мирно коротающий свои дни в южной части Тихого океана, создает нечто крайне притягательное для самых гламурных личностей в нашем обществе. Эти слои настолько тонкие, что способны обеспечивать идеальное совпадение фаз однотипных световых волн, отражающихся от разных слоев, идеальное наложение этих волн и результирующие яркие цветовые эффекты. Под определенными углами волны отраженного света усиливают сами себя, в результате чего мы наблюдаем мерцания красного и зеленого цветов на яркой белой поверхности. Под другими углами можно наблюдать мерцание синего цвета или отсутствие какого-либо цвета, кроме белого. Если жемчужину поворачивать туда-сюда в лучах солнечного света, то мы увидим сверкания, возникающие в результате сложения волн той или иной длины, – это явление называется переливчатостью и производит сильное эстетическое впечатление, за что высоко ценится людьми, но, к сожалению, оно очень редко встречается в природе. Обусловлено оно тем, что жемчужины порождают иррегулярную картину световых волн, скользя взглядом вдоль ряда жемчужин, вы можете наблюдать разные фрагменты этой картины. Но выглядит это так, будто жемчужины сияют – а людям нравится такое зрелище. В наши дни люди научились добиваться подобного эффекта искусственным путем, тем не менее мы предпочитаем обладать творениями природы.

Жемчуг наглядно демонстрирует, что случается при наложении однотипных волн. Иногда их вершины и впадины совпадают и складываются, порождая более сильную волну, которая движется в определенном направлении. Иногда однотипные волны уничтожают друг друга, что приводит к их полному отсутствию на определенном направлении. Новая картина волн возникает каждый раз, когда на своем пути они не встречают поверхности, от которой могли бы отразиться, или когда есть несколько источников волн (вспомните взаимно перекрывающиеся концентрические круги волн, расходящихся по поверхности пруда, если в него бросить два камешка на относительно небольшом расстоянии друг от друга).

Но в связи с этим возникают некоторые вопросы: что происходит при взаимном перекрытии идентичных волн, имеющих другую природу? Например, радиоволн, используемых для мобильной связи? Мы сплошь и рядом наблюдаем группы людей, стоящих в непосредственной близости друг от друга и разговаривающих по мобильным телефонам с удаленными абонентами, причем у многих из них модели телефонов одинаковые. Сотни и тысячи людей в одном и том же городе используют для мобильной связи одни и те же типы волн. Во время трагедии с «Титаником» радиосвязь между судами была очень плохой, потому что все суда, находившиеся в тот момент в Северной Атлантике, использовали для обмена радиосигналами одну и ту же технологию радиосвязи и один и тот же тип волн. Но в наши дни добрая сотня людей, пребывающих в одном и том же здании, могут одновременно вести переговоры с другими абонентами по одинаковым мобильным телефонам, не создавая при этом помех друг другу. Как же удалось организовать эту какофонию волн, чтобы обеспечить одновременное общение множества людей по мобильной связи?