Безсилля від знання або чи може історія допомогти фізикам?

Науково - Значить, опровергаемо.

Математика - Наука точна і незаперечна.

Історія розвитку фізики насичена гострими ситуаціями, в процесі вирішення яких стикаються людські долі, і при цьому виявляються велич духу одних, і дуже, часом, несимпатичні властивості інших вчених. З плином часу особисті трагедії та омани забуваються, і безліч окремих, місцевих революцій сприймаються нащадками як плавне, еволюційне, поступальний рух процесу пізнання. У сучасних підручниках викладається вже логічна і благовидно, але не історія, а всього лише інформація про результати цієї еволюції.

Мені видається, що таке згладжування та вихолощення історії розвитку науки аж ніяк не сприяє залученню до наукової діяльності молоді. У самому справі, якщо науку дійсно робили лише непогрішимі титани і лицарі без страху і докору, то треба мати неабияку мужність, щоб зробити спробу долучитися до цієї когорти. А разом з тим, знання помилок і помилок наших попередників часто може виявитися корисним не тільки під час навчання, але й надати неоціненну послугу при вирішенні вельми гострих і цілком сучасних ситуацій.

Так, наприклад, як випливає з енциклопедії, "Своїми експериментами Герц підтвердив велику здогад Максвелла про поширення електромагнітної енергії у вакуумі ... "Що можна витягнути для себе з цієї фрази? Схиляння перед геніями може викликати у кращому випадку заздрість. Нехай і білу. Але ж насправді все було зовсім не так.

Не було у Герца наміри підтвердити здогад Максвелла. Але мало того, не було й у Максвелла ніякої припущення з цього приводу.

Рівняння Максвелла виявилися набагато мудріший за свого творця. Отримавши чисто математично, з міркувань симетрії рівнянь, необхідність існування струму, що протікає в діелектрику, Максвелл і сам цьому здивувався, і забезпечив відповідає цьому току член рівняння індексом як би в порядку свого вибачення. Мовляв, я і сам розумію, що струм через діелектрик текти не може, і, швидше за все, це якась математична абстракція.

Були спроби і за життя Максвелла з боку його прихильників (вельми нечисленних, до речі) представити цей момент як теоретичне передбачення. І треба сказати, що сам автор охолоджував запал своїх шанувальників нагадуванням того, що в теорію математика перетворюється тільки тоді, коли описує експериментально спостережуваний факт. У даному ж випадку побудова поки що є не теоретичним, а суто гіпотетичним.

Ось це вищий клас методологічної грамотності!

А що ж Герц?

Справа в тому, що німецький фізик Генріх Герц був глибоко переконаний, що скільки-небудь серйозне наукове відкриття може бути зроблено тільки німцями. І якщо з відкриттями англійця Фарадея він ще якось міг змиритися, тому що Фарадей, як відомо, був слабким математиком, і всі його роботи були чисто експериментальними (а отже, як би другосортними), то вже шотландець Максвелл викликав у нього різке і неприховане роздратування. Справою свого життя Герц вважав експериментальне доказ помилки Максвелла, і сучасники не раз відзначали досить його некоректні висловлювання на адресу вже покійного вченого.

До честі Герца, слід сказати, що, отримавши замість спростування експериментальне підтвердження теорії Максвелла (бо з цього моменту побудова Максвелла вже було теорією), Герц публічно приніс свої вибачення. Але головне у всій цій історії те, що обидва її учасники однаково ставилися до математики, наполягаючи на тому, що у фізиці лише та математика важлива й незамінна, яка описує реально існуючі процеси. Тобто коли обидва висловлювання, винесені в якості епіграфів, співіснують діалектично.

Адже що гріха таїти, ця точка зору притаманна далеко не всім ученим. Часто - поруч, трохи приодінуть думка в математичні одягу, і вже теорією називають. А те, що експериментатор - вчений другого сорту, ця думка і сьогодні в науці дуже популярно.

Незважаючи на те, що всім нам неодноразово доводилося чути твердження про те, що і експеримент без математичного усвідомлення - теж не наука, дозволю собі з цим не погодитися. Наука, за визначенням Менделєєва, це пошук істини. Сама ж істина - вже не наука, а швидше, пам'ятник їй.

Фізика, за визначенням, є не що інше, як сукупність ефектів і явищ. Рівень розуміння різних ефектів дуже неоднаковий. І чим менше ефект усвідомлений, тим більший науковий процес він представляє. Абсолютно, досконально понятих і усвідомлених ефектів немає і бути не може в силу нескінченності пізнання. Ось тому-то у мене викликало певну настороженість відому думку про те, що ціла область знання - теоретична акустика - завершила свій розвиток як розділ фізики. Справа в тому, що, як вважають, за допомогою хвильового рівняння (а це основний інструмент даної галузі знання) можна описати будь-які явища в акустиці. На підставі цього був зроблений висновок, що як теоретична акустика, так і її основна практична гілка - сейсморозвідка, як би перейшли в компетенцію математики.

Але навіщо, здавалося б, мені, радіоінженер, що має достатній досвід роботи в схемотехніці, ця інформація? Однак випадки розпорядилася так, що в 1973 році мені довелося замінити основного викладача шахтної геофізики, доцента Ленінградського гірничого інституту (ЛГМ), якого раптово відправили до Москви на 6 місяців, на підвищення кваліфікації.

Міркувати було ніколи, семестр вже починався, і після короткого інструктажу цього самого доцента я, обклавшись всієї існуючої літературою, кинувся в цей вир, з якого мені не судилося виринути.

Будь-яка геофізика, в тому числі, і шахтна - на 90% сейсморозвідка. Якщо відкрити будь-який геофізичний збірка або матеріали якої-небудь конференції - все суцільно сейсморозвідка. Більше того, приблизно те ж співвідношення і в грошовому співвідношенні: всі країни, що дозволяють собі розкіш утримувати власну геофізику, витрачають на сейсморозвідку більше 90% всіх геофізичних грошей. Так що і мені довелося вивчати головним чином саме цю галузь знання.

Втім, ця область знання виявилася досить специфічною. Перш за все, відсутністю відповідних лабораторних робіт. Їх не було ні в спадку, залишеному мені покинув нас штатним викладачем, ні, як не дивно, на кафедрі геофізики ЛГМ. Так що якщо за електророзвідки, магніторазведке, радіоактивним методам і т.д. ми на лекціях аналізували завдання, змодельовані в лабораторії, то по сейсморозвідці все обмежувалося моїм говорінням і триповерховими формулами.

Це йшло врозріз з моїм радіотехнічним вихованням. Для радіофізиків адже існує тільки одна авторитетна людина, та й той осцилограф. А якщо в слово геофізика другого і більша його складова потрапила не випадково, то кожне її затвердження має наочно ілюструватиметься реально існуючим ефектом.

Ідея сейсморозвідки дійсно елементарно проста. Саме тому вона була описана Пуассона на початку XIX століття, ще за 100 років до проведення перших практичних вимірів. Хвильове рівняння, написане ним, дозволило вийти на опис різних типів пружних хвиль. Але ж для того, щоб мати відношення до фізики, математичне рівняння, яке б воно не було гарне, повинно містити аргументи, які можуть бути обумовлений в експерименті. У даному випадку, на жаль, це виявилося не так. Аргументами на хвильовому рівнянні, описує поле пружних коливань, є параметри руху тих, хто вагається частинок та/або тиск у пружної хвилі. Ні те, ні інше визначити в експерименті навіть на сьогоднішній день не можна, тому що в Палаті Мір і Терезів не існує еталонів і відповідних датчиків цих субстанцій. А отже, до поля пружних коливань як фізичної реалії хвильове рівняння просто не має відносини.

Взагалі кажучи, проблема датчика є у фізиці ключовою. Ні датчика - немає і наукової проблеми. Ми будемо ставитися з гумором до екстрасенсів до тих пір, поки не існує датчика біополя. Так що ж, акустика стоїть на рівні науки про біополе? Не зовсім. Існуючі геофони, гідрофони, сейсмопріемнікі і т.д. дійсно не є датчиками яких би то не було базисних параметрів поля пружних коливань, але вони є датчиками наявності або відсутності самого акустичного сигналу, а також джерелами інформації про спектр цього сигналу. Як побачимо далі, цього виявилося достатнім для розробки наукового підходу при вивченні поля пружних коливань.

Втім, як би там не було, заявити про неправомірність застосування хвильового рівняння, що використовується для опису поля пружних коливань, після 150 років його безперервного використання - непростий крок. сторони. Адже хвильове рівняння має незліченну кількість рішень, і вибрати необхідне можна лише задавши відповідні граничні умови. Однак, не маючи відповідних датчиків, не можна визначити і граничні умови. Таким чином, ставлячи граничні умови умоглядно, не можна претендувати на реальність одержуваних при рішенні рівняння результатів.

В електродинаміки хвильове рівняння також є основним інструментом. Однак там базисні параметри електромагнітного поля визначаються в експерименті на нормальному метрологічному рівні, і це, власне, і визначає правомірність використання хвильового рівняння, а також прогрес електродинаміки і рівень її практичного використання.

Але, зрештою, з огляду на ефективність сейсморозвідувальних методів, може бути, можна знизити вимоги до її теоретичного обгрунтування? Адже ми всі знаємо, що основні заслуги при пошуках нафти і газу належать сейсморозвідці. Так, в Насправді, сейсморозвідка не входить до компетенції метрологів, але ж головне-то - її практичні результати.

Усвідомивши це, я направив свої зусилля на створення простих лабораторних установок, з допомогою яких можна було б моделювати принцип сейсморозвідки. Тобто, простіше кажучи, принцип акустичної локації. Однак і тут виникли зовсім непередбачені і ніде чомусь не описані складності.

Як виявилось, принцип звукової локації, легко модельований в повітрі і в рідинах, у твердих середовищах не працює. Виключення склало дуже незначна кількість матеріалів, і зокрема, оргскло. У оргсклі легко спостерігати виникнення акустичного імпульсу при ударному впливі, а також поширення цього імпульсу і відображення його від кордонів, яке справді відбувається за законами геометричної оптики.

Однак в переважній більшості матеріалів - склі, кераміці, металах і сплавах, а також у гірських породах - ні сам акустичний імпульс, ні його поширення, а тим більше, віддзеркалення, побачити не можна. При ударному впливі на об'єкти з переважної більшості твердих матеріалів виникає не окремий імпульс, а тривалий коливальний процес, і поширюється цей процес явно не по законами геометричної оптики. Ніяких слідів від кордонів відбитого сигналу при це також не видно.

В принципі, ми, не бажаючи того, одержали доказ того, що в більшості твердих середовищ (а головне, що в тому числі, в гірських породах) принцип звукової локації не працює. Але поширити цей висновок на всю сейсморозвідку ми не могли знову ж таки в силу її показності. Справді, не могла ж на порожньому методі виникнути величезна, затребувана в усьому Світі область знання.

Однак як би там не було, читати курс при відсутності впевненості в існуванні читаного об'єкту було не можна. Я було вже прийняв рішення відмовитися від читання цього курсу, поставив собі діагноз "профнепридатність". Але раптом, в початку 1977 року я отримав пропозицію взяти участь у натурних сейсмоізмереніях в умовах вугільних шахт. Для цього була підготовлена вимірювальна апаратура, яка дозволяє визначати частотний спектр сейсмосігнала.

Як відомо, сейсмосігнали, що приймаються сейсмопріемнікамі при сейсмоізмереніях, мають вигляд тривалого коливального процесу невиправдано великої амплітуди. Відповідно до твердження вчених-сейсморазведчіков, такого роду сигнали виникають у результаті інтерференції між безліччю елементарних відображень зондуючого імпульсу від залягають в земній товщі дрібних кордонів. Цей, так званий, паразитний дзвін є об'єктом, з яким бореться сейсморозвідка протягом усього часу свого існування.

У сейсморазведчіков є надія, що якщо б вдалося зменшити його амплітуду, то вдалося б, нарешті, побачити на сейсмограмою сам луна-сигнал. Так ось, як виявилося в результаті вже самого першого нашого шахтного вимірювання, що надія ця марна, але зате спектр цього самого "паразитного дзвону" однозначно пов'язаний з геологічним розрізом в зоні вимірювань. Справа в тому, що, як виявилося, сейсмосігнал, що виникає при ударному впливі на гірський масив, має вигляд не якихось довільних за формою і спектру коливань, а представляє собою одну або декілька загасаючих синусоїд. При цьому частота f0i кожної з цих складових має величину, пов'язану з товщиною (або, як говорять геологи, потужністю) hi породного шару наступним виразом:

f0i = 2500/hi [(м/с)/м = Гц] (1)

Який фізичної реалії відповідає чисельник виразу (1), що має розмірність швидкості, тоді було ще неясно, але, виявлене чисто емпірично, це співвідношення виконується з похибкою, що не перевищує 10% для всього спектру порід вугленосної товщі - від слабкого аргіліти і до міцного пісковика і вапняку при чисельному рівність чисельника 2500 м/с.

З цієї випадкової знахідки слід було три висновки. Перший полягав у тому, що, використовуючи вираз (1), тобто, інакше кажучи, спектрально-сейсморозвідувальних підхід, можна без буріння отримувати інформацію про потужності порід, що залягають як в покрівлі, так і в грунті підземної виробки. Ця інформація має вкрай важливе для шахтарів значення, у зв'язку з чим негайно почалася розробка відповідної апаратури. Апаратура ця згодом отримала назву "Резонанс", і використовувалася для оцінки та прогнозування стійкості порід покрівлі у всіх вугільних регіонах СРСР.

Другий висновок полягав у тому, що коливальний процес, що виникає при ударному впливі на гірський масив, не є заважає, оскільки містить інформацію про його геологічну будову. Цей висновок накладав певні вимоги на апаратуру, які полягають в тому, що вона не повинна ні в найменшою мірою спотворювати спектр сигналу. Вимога це ніколи раніше перед сейсмоаппаратурой не ставилася, і виконання його зажадало вельми нетривіальних рішень.

Третій висновок, найважливіший для долі нового, що народився при цьому напрямку, в надалі отримав назву спектральної сейсморозвідки, полягав у тому, що породні шари проявляють властивості якихось нових, невідомих раніше коливальних систем.

Тут представляється за необхідне дати деякі пояснення.

Справа в тому, що якщо реакція деякого пристрою (будемо говорити, "чорного скриньки ") на короткий (ударний) вплив має вигляд затухаючого синусоїдальної (гармонійного) процесу, значить, цей чорний ящик - не що інше як коливальна система. Іншого шляху, щоб імпульс перетворити в затухаючим синусоїду, просто не існує. Синусоїда - це один член ряду Фур'є, неподільний інформаційний цеглинка, який не можна отримати ніякої інтерференцією. Але в тому-то й річ, що єдиний мислимий в акустиці процес, освітлений минулими і нинішніми авторитетами, за допомогою якого передбачається можливим зміна форми сигналу - це інтерференція.

В насправді, а що ще може бути? Сигнал поширюється, багаторазово відбивається, і всі ці елементарні відображення векторно складаються один з одним, тобто, інтерферують. А оскільки інші процеси, здатні перетворювати форму сигналу, невідомі, то всіляке згадка про виникненні гармонійних сигналів в акустиці і сейсміці просто заборонено.

Між тим, наявність такого роду сигналів відомо всім. Більш того, від них просто діватися нікуди. Але називають їх квазігармоніческімі, що саме по собі нічого не меняет1, але зате як би?? ает право наполягати на тому, що вони є результатом інтерференції.

Треба сказати, що тут ми зустрілися з дивним збігом. Ця історія практично повністю повторює ту, що відбувалася в XIX столітті при відкритті електричного коливального контуру.

Перший коливальний контур був випадково реалізований в 40-х роках XIX століття Джозефом Генрі (тим самим, чиє ім'я носить одиниця індуктивності). Сталося це при дослідженні процесів, що виникають при короткому замиканні конденсатора. Це був час, коли почалися дослідження нової субстанції - електричної рідини, що міститься у щойно винайдених гальванічних елементах. Експеримент полягав в тому, що заряджався конденсатор (як тоді говорили, "лейденська банку") від гальванічного елемента, а для реєстрації процесу розряду Генрі використовував праобраз амперметра - магнітну стрілку, багаторазово обвиті проводом. Провід був досить товстим, щоб можна було не зважати на його опором. На цій підставі Дж. Генрі думав, що розряд йшов накоротко.

До його превеликий подив, стрілка при розряді багато разів змінювала напрям свого відхилення. Витлумачено це було так, що електрична рідина при короткому замиканні лейденської банки не тільки випливає з неї, але і втікає назад.

Спочатку ця публікація викликала хвилю обурення в усіх діючих тоді фізиків. Однак після того, як виявилося, що описаний результат стійкий при повторенні експерименту, вчені знайшли йому пояснення. Багаторазове зміна напряму струму через конденсатор при короткому замиканні було сприйнято як наслідок інтерференційних процесів, що виникають в "електричної рідини ", що заповнює лейденську банку, в результаті її струшування, якому еквівалентно коротке замикання. У такому вигляді це явище існувало в підручниках і наукових публікаціях ще років 30.

Друге відкриття коливального контуру була зроблена через 30 років після цього лордом Кельвіна. Він зацікавився формою сигналу, що виникає при розряді конденсатора і, щоб задовольнити свою цікавість, винайшов осцилограф. А побачивши, що електричний струм, що протікає через лейденську банку, має форму синусоїди, Кельвін збагнув, що має справу з невідомої раніше коливальної системою.

І тільки ще через майже 10 років електричний LC контур був відкритий остаточно, коли Фергюсон усвідомив роль індуктівності2.

Проводячи паралель з історією відкриття електричного контура, можна сказати, що, знайшовши залежність (1), я виконав тільки першу частину - виявив наявність акустичної коливальні системи у вигляді плоскопараллельной структури (як окремий випадок). Однак при цьому залишився незрозумілий механізм перетворення імпульсу в гармонійний сигнал, а також був незрозумілий фізичний зміст чисельника вирази (1).

Досить довгий час, вже використовуючи на практиці вираз (1) та апаратуру "Резонанс", я, тим не менш, міг легко довести, що виявлений ефект існувати не може. Справді, за умови, що матеріал пластини однорідний по речовинного складу і за акустичними властивостями, можна уявити собі лише один механізм - це прямолінійний поширення пружних коливань усередині пластини і відображення їх від кордонів. Результат багаторазового переотраженного від поверхонь пластин короткого імпульсу - це аж ніяк не гармонійний процес. На відміну від гармонійного, такий процес має дуже широкий частотний спектр, і переплутати їх неможливо.

Але одного разу істину, викладену в попередньому абзаці, я сприйняв інакше. Реакція на імпульсне вплив має вигляд гармонійного сигналу, і це достовірно та однозначно доводиться засобами Електровимірювання. Однорідність речового складу матеріалу пластини, мабуть, теж немає підстав піддавати сумніву. Отже, якщо вже перетворення удару в гармонійний процес все-таки відбувається, то має ж бути якась неоднорідність ... А що там у нас з однорідністю акустичних властивостей матеріалу пластини? А чи може виявитися швидкість поширення пружних хвиль неоднаковою в різних точках об'єкта з однорідного по речовинного складу матеріалу?

На чуттєвому, інтуїтивному рівні це питання сприймається важко. У самому справі, впевненість у сталості швидкості звуку в однорідних по матеріальному складу середовищах, я думаю, народжується разом з нами. Так само, як і деякі інші аксіоми. Такі, як, скажімо, твердження про те, що паралельні лінії не перетинаються в просторі. Але, з іншого боку, немає такої аксіоми, яка не вимагала б перевірки. Адже, як сказав Лобачевський, аксіома - це не те, що не вимагає доказів, а те, що ніяк не довести (або не спростувати). Чим це скінчилося, я маю на увазі твердження про непересічних паралельних, відомо. Усього лише, створенням нового типу геометрії.

Тут я хотів би трохи відволіктися, щоб показати, що все, що відбулося далі, анітрохи від мене не залежало. Справді, здавалося б, якщо вже я отримав інструмент для прогнозування стійкості покрівлі у вугільних шахтах, то чи так обов'язково було дошукуватися до механізму того ефекту, на якому цей інструмент працює? .. Я ж сам тільки що казав, що фізичний ефект зовсім не обов'язково потрібно розуміти, щоб його використовувати ... Але дивіться самі, адже апаратура "Резонанс" була призначена для збереження людських життів в умовах шахт. Чи можливе використання в цих цілях приладу, що працює на ефекті, якого в принципі бути не може? А якщо всі ті результати, які ми отримували до цього, були результатом якогось дивний збіг обставин, а в подальшому, коли використання приладу узаконити, таких обставин більше не буде (або, що ще гірше, вони не завжди будуть), то наші рекомендації будуть сприяти загибелі людей, так ж?

Коли я це усвідомив, то прийняв для себе рішення апаратуру шахтарів не давати до тих пір, поки не розберуся у фізиці використовуються ефектів. Моє рішення викликало таку бурю обурення, від шахтних геологів і до самого Мінвуглепрому, що про це треба розповідати окремо. Але тут важливо те, що тільки той стрес, в якому я опинився, допоміг мені пройти весь подальший шлях пошуків механізму ефекту перетворення ударної дії в гармонійний відгук. Не дарма у нас потім народився афоризм, що для того, щоб в голову прийшло щось пристойне, треба, щоб по ній вдарили. Ось гіпотеза про мінливості швидкості звуку в однорідних середовищах і виникла як результат удару по голові.

Спосіб перевірки факту сталості швидкості звуку в однорідних середовищах опинився на диво простим. Нагадаю тільки, що швидкість руху будь-якого об'єкта V прямому виміру не підлягає. Вона обчислюється діленням відрізка шляху r на час t, протягом якого пройдений цей шлях. Тому що визначається в експерименті швидкість завжди є середньою, усередненої по відрізку шляху r.

Експеримент, спрямований на перевірку сталості швидкості звуку в однорідних за речовинного складу середовищах, мав наступну логіку. Якщо це сталість дійсно має місце, то при наскрізному прозвучіваніі пластин величина визначається швидкості розповсюдження пружних хвиль V не повинна залежати від товщини пластини h. При всій прозорості цієї логіки, все ж, перший цикл вимірювань залежності V (h) був здійснений на пластинах з оргскла. Чому це було зроблено. Справа в тому, що вимірювання швидкості звуку в акустиці твердих середовищ є дуже серйозною проблемою. При всій уявній очевидності і простоті питання, результати реальних вимірів у найпростіших умовах часом настільки незрозумілі, що теоретикам здалося простіше створити масу заборон, ніж розібратися в цих неясностях. Так, якщо результати ваших вимірів не відповідають якимось уявним існуючим моделям, вам просто пояснять, що ви не мали права так вимірювати. Причому ці заборони настільки нечіткі, що в принципі, можна заборонити будь-які вимірювання. Однак якщо ми беремо дві зовсім ідентичних за своєю геометрії зразка з різних матеріалів, то якщо вас влаштують результати вимірювань на одному з них, то заборона точно таких же вимірів на іншому вже не буде переконливим.

Графік залежності швидкості поширення пружних коливань від товщини прозвучіваемих пластин з оргскла, показаний на малюнку (графік 1), свідчить про те, що швидкість поширення пружних коливань у оргсклі дійсно однакова у всіх точках цього однорідного матеріалу. Потовщення лінії цього графіка при зменшенні товщини пластини відповідає збільшення відносної похибки визначення швидкості зі зменшенням величини t. Отже, метрологічна коректність при проведенні цих вимірів може вважатися прийнятною.

При точно такому ж дослідженні пластин з будь-якого металу або сплаву, кераміки, скла або гірської породи залежність V (h), як виявилося, має вигляд, подібний графіку 2. Як витлумачити такий результат? ..

В принципі, подібна залежність мала б місце, якби ми таким же точно способом визначали швидкість руху автомобіля при зміні відстані між точками його початку руху і зупинки. Середня або крейсерська швидкість будь-якого засобу пересування зменшується при зменшенні довжини шляху за рахунок неминучого присутності ділянок, де швидкість спочатку плавно збільшується, а потім, перед зупинкою плавно зменшується.

Однак стосовно до пружної хвилі, що розповсюджується в однорідному матеріалі пластини, подібна модель була непредставіма. Чесно кажучи, цей експеримент готувався мною виключно для того, щоб раз і назавжди виключити навіть самі думки про можливість неоднаковості швидкості в різних точках всередині об'єктів з однорідної середовища.

Ось вже ніколи не думав, щоб пересічна, в общем-то, вимірювання могло подіяти на мене настільки емоційно ... Настільки подіяло, що коли апаратура вже була готова для здійснення вимірювань, то я зрозумів, що я зробити ці дослідження не можу, і відклав їх на наступний день.

Більше того, результати цього експерименту сильним і несподіваним чином подіяли на всіх оточуючих людей, так чи інакше причетних до наших робіт. Деякі найближчі колеги, за участю яких проводилися перші вимірювання залежності V (h), раптом стали відмовлятися від свого в них участі, а рідна кафедра раптово повела курс на знищення лабораторії разом з тим курсом, який я читав.

Втім, я тоді нічого навколо не помічав, одержимий постановкою такого високоточного вимірювання, яке могло б закрити це вже точно помилкове, нікому не потрібне відкриття. Однак чим вишуканішими були дослідження, тим ясніше вимальовувалася картина. Так, дійсно, звукова хвиля, проникаючи в пластину з переважної більшості твердих середовищ, спочатку розгонилася, а потім, при наближенні до другий кордоні плавно сповільнювалася. І ось тоді мені стало погано по-справжньому.

Якщо численні вболівальники мучили мене питанням, чому в оргсклі, на відміну від скла, цей ефект відсутній, то мене самого не відпускала інша, абсолютно містична проблема:

звідки пружна хвиля знає, що наближається кордон,

і що пора почати уповільнення свого руху?

Ось де було божевілля! Це питання горів у моєму замутненою свідомості з наполегливістю маніяка, не відпускаючи ні на хвилину ... Ось уже понад 20 років пройшло з тих пір, але цього стану безперервної та повної огорошенності забути не можна.

Ну, що тут скажеш, мимоволі почнеш вірити в Провидіння. Не знаю, чиєю волею, але в руках у мене виявилася книга про життя Ньютона, звідки я дізнався, що з ним відбувалася приблизно така ж історія. Під час обговорення закону всесвітнього тяжіння його опоненти, та й він сам були одержимі подібним же питанням: де та "мотузка", що змушує взаємодіяти між собою планети і інші об'єкти? Так само, як і мене, його ця мука не відпускала років зо два. Після чого його осінило, що закон повинен відповідати не на питання "чому", а виключно на питання "як"! Врешті-решт, якщо при метрологічно коректному вимірі ефект повторюємо, значить, його потрібно враховувати, з ним потрібно вважатися незалежно від нашого розуміння. Хіба мало ми використовуємо ефектів, не розуміючи їх фізики? Та хоч би той же закон всесвітнього тяжіння ...

І все, більше ніяких мук. Приймаються як даність, що в переважній більшості твердих середовищ швидкість розповсюдження фронту пружних коливань знижується при наближенні фронту на поверхні об'єкту. Тобто в переважній більшості твердих середовищ існує приповерхневих шар, товщина якого сягає 2 см, в якому швидкість розповсюдження фронту пружних коливань має знижений значення за рахунок зменшення її з наближенням фронту до поверхні.

Ставлення до цього ефекту як до доведеним фактом дозволило виявити ще деякі нові ефекти. До речі, один з них дозволив відповісти на той нещасливий питання, який я обвів рамочкою. Але найцікавішим мені здається ефект акустичного резонансного поглинання (АРП). Суть його в наступному.

Якщо при наскрізному прозвучіваніі пластин з будь-яких матеріалів змінювати частоту генератора, збудливого електроакустичний перетворювач, то можна побачити на деяких частотах так званий ефект монохроматора, відомий в оптиці ще як ефект прояснення. Ефект цей полягає в тому, що, в результаті інтерференційних (а в даному випадку, це справді так) процесів при багаторазовому переотраженного сигналу всередині шару на деяких частотах сигнал проходить через пластину цілком при абсолютній відсутності відбиття від неї. Умова ефекту монохроматора полягає в тому, що на товщині пластини h має укладатися цілу кількість напівхвиль поздовжніх коливань або, інакше кажучи,

, де (2)

fмх - Частоти, на яких спостерігається ефект монохроматора,

n - Будь-яке ціле число,

Vпр - Швидкість поздовжніх хвиль.

На інших частотах зондуюче сигнал частково відбивається від пластини, і за рахунок цього зменшується рівень сигналу, який проходить крізь пластину. Ефект монохроматора можна спостерігати на пластинах з усіх твердих середовищ. Однак при дослідженні пластин не з оргскла, а з інших, перерахованих вище матеріалів, виявився ще один ефект, за змістом діаметрально протилежний ефекту монохроматора. Як виявилося, на деяких частотах (fАРП) відсутній не відображення, а проходження сигналу через пластину, але при цьому не збільшується відбиття від неї. Природне запитання: а куди ж дівається та частина сигналу, яка і не проходить наскрізь, але і не йде на збільшення відображення?

І знову рік пошуків. У результаті яких виявилося, що шукана частина сигналу випромінюється пластиною через її ж власні торці. Цей ефект, за аналогією з феромагнітною, парамагнітним та іншими відомими у фізиці ефектами резонансного поглинання, було названо ефектом акустичного резонансного поглинання. Переорієнтація первинного акустичного потоку в ортогональних напрямку є наслідком того, що ефект АРП йде на поперечних хвилях.

Умова ефекту АРП наступне:

, де (3)

m - Будь-яке непарне число,

VСДВ - Швидкість поперечних (зсувних) хвиль.

Нижча частота, на якій спостерігається ефект АРП (при m = 1), виявилася рівною частоті f0, яка виникає при ударному порушення шару-резонатора. Звідси й назва ефекту, оскільки збіг власної частоти з збудливою - це і є резонанс. Таким чином, чисельник формули (1) є не що інше, як швидкість поперечних хвиль VСДВ.

Будь-який новий фізичний ефект - це безодня інформації. Особливо коли це стосується такого фундаментального ефекту як АРП. Обмежуючись рамками цього розповіді, можемо зазначити, що:

Шари з більшості твердих середовищ є резонаторами, тобто при ударному впливі вони відгукуються гармонійним затухаючим процесом на частоті, рівною f0.

Власний коливальний процес іде на поперечних хвилях, і тому реалізація ефекту АРП може вважатися першим метрологічно коректним способом визначення швидкості поперечних хвиль.

Наявність приповерхневих зон, в яких швидкість поширення пружних хвиль не є постійною, а зменшується з наближенням до кордону, являетс?? умовою існування резонатора. Ми навчилися знищувати ці зони, і тоді скляні, металеві і т.п. пластини перестають бути резонаторами. Ми навчилися створювати ці зони, і тоді пластини з оргскла, рідинні і газові шари стають шарами-резонаторами.

Шар-резонатор - Це окремий випадок. Резонатором є об'єкт будь-якої форми за наявності приповерхневих шарів з мінливою швидкістю звуку, але при цьому кількість власних частот коливального процесу, що виникає в цьому об'єктах, дорівнює кількості його розмірів. Приміром, паралелепіпед має три розміри і, відповідно, три частоти його власного звучання.

Визначаючи за допомогою спектрально-акустичних вимірювань спектр власного звучання, неважко визначити розміри об'єкта, а також виявити приховані кордону, в Зокрема, обумовлені дефектами матеріалу. І цей факт породив спектрально-акустичну дефектоскопію.

Межі, виявляють при спектрально-акустичних вимірах, являють собою поверхні, по яких можливе взаємне прослизання сусідніх середовищ. Це визначається тим, що формуються власні коливання на поперечних хвилях.

Зрозуміло, що до тих пір, поки не буде створено формально-математичний апарат для опису перетворення імпульсного впливу в гармонійний відгук на зразок того, як це було зроблено Кельвіна для електричного коливального контуру, відкриття акустичної коливальні системи не можна вважати завершеним. І, разом з тим, ми не тільки маємо право оголосити про народження нової, невідомої раніше коливальні системи, але, і зобов'язані це зробити, тому що практичне значення цього факту просто величезна. На базі цього нового знання створена спектральна сейсморозвідка, на рахунку якої вже є кілька нових родовищ корисних копалин. Крім того, за допомогою спектральної сейсморозвідки виявилося можливим вперше, за всю історію будівельної науки оцінювати і прогнозувати надійність інженерних споруд. Метод спектрально-сейсморозвідувальних профілювання (ССП) дозволяє ще до початку будівництва будинку показати, де в майбутньому будинку почнуть розвиватися тріщини, і як пересунути будівельний майданчик, щоб цих тріщин не було. Я не ставлю своїм завданням перераховувати всі можливості цього методу, а хто зацікавився можна зазирнути на сайт http://www.newgeophys.spb.ru/, де, окрім прикладів використання методу СЗП, опублікована книга з основ спектрально-акустичного напрямки у фізиці. Зараз же, коли спектральна сейсморозвідка показала свою життєздатність, виникла необхідність знайти точки дотику нового методу з уже існуючими, традиційними сейсмометодамі.

При пошуках цих точок дотику мені необхідно було окреслити реальні можливості також і методів традиційної сейсморозвідки. Зізнаюся, що завдання виявилася дуже складною. Спеціально для цього спілкуючись з діючими сейсморазведчікамі різних організацій, я шукав випадки, коли отримані