fix problems with html output
[light-and-matter.git] / lm / vw / c.rbtex
blob7884c81ca2e3e15edecebfd35861281151810a3d
1 <%
2   require "../eruby_util.rb"
3 %>
5 <%
6   chapter(
7     '19',
8     %q{Free Waves},
9     'ch:free-waves',
10     %q{\hspace{1.5mm}``The Great Wave Off Kanagawa,'' by Katsushika Hokusai (1760-1849).},
11     {'opener'=>'hokusai'}
12   )
16 Your vocal cords or a saxophone reed can vibrate, but being
17 able to vibrate wouldn't be of much use unless the
18 vibrations could be transmitted to the listener's ear by
19 sound waves. What are waves and why do they exist? Put your
20 fingertip in the middle of a cup of water and then remove it
21 suddenly. You will have noticed two results that are
22 surprising to most people. First, the flat surface of the
23 water does not simply sink uniformly to fill in the volume
24 vacated by your finger. Instead, ripples spread out, and the
25 process of flattening out occurs over a long period of time,
26 during which the water at the center vibrates above and
27 below the normal water level. This type of wave motion is
28 the topic of the present chapter. Second, you have found
29 that the ripples bounce off of the walls of the cup, in much
30 the same way that a ball would bounce off of a wall. In the
31 next chapter we discuss what happens to waves that have a
32 boundary around them. Until then, we confine ourselves to
33 wave phenomena that can be analyzed as if the medium (e.g.,
34 the water) was infinite and the same everywhere.
36 <% marg(20) %>
38   fig(
39     'finger-in-cup',
40     %q{%
41       Dipping a finger in some water, 1,
42       causes a disturbance that spreads outward, 2.
43     }
44   )
46 <% end_marg %>
47 It isn't hard to understand why removing your fingertip
48 creates ripples rather than simply allowing the water to
49 sink back down uniformly. The initial crater, (a), left
50 behind by your finger has sloping sides, and the water next
51 to the crater flows downhill to fill in the hole. The water
52 far away, on the other hand, initially has no way of knowing
53 what has happened, because there is no slope for it to flow
54 down. As the hole fills up, the rising water at the center
55 gains upward momentum, and overshoots, creating a little
56 hill where there had been a hole originally. The area just
57 outside of this region has been robbed of some of its water
58 in order to build the hill, so a depressed ``moat'' is
59 formed, (b). This effect cascades outward, producing ripples.
61 \pagebreak[4]
64   fig(
65     'toes-in-pool',
66     %q{%
67       The two circular patterns of ripples pass
68       through each other. Unlike material objects, wave patterns can overlap in space, and when
69       this happens they combine by addition.
70     },
71     {
72       'width'=>'wide',
73       'sidecaption'=>true
74     }
75   )
78 <% begin_sec("Wave Motion",0) %>
80 There are three main ways in which wave motion differs from
81 the motion of objects made of matter.
83 <% begin_sec("1. Superposition") %>
85 The most profound difference
86 is that waves do not display anything
87 analogous to the normal forces
88 between objects that come in contact. Two wave patterns can
89 therefore overlap in the same region of space, as shown in
90 figure \figref{toes-in-pool}. Where the two waves
91 coincide, they add together. For instance, suppose that at a
92 certain location in at a certain moment in time, each wave
93 would have had a crest 3 cm above the normal water level.
94 The waves combine at this point to make a 6-cm crest. We use
95 negative numbers to represent depressions in the water. If
96 both waves would have had a trough measuring -3 cm, then
97 they combine to make an extra-deep -6 cm trough. A +3 cm
98 crest and a -3 cm trough result in a height of zero, i.e.,
99 the waves momentarily cancel each other out at that point.
100 This additive rule is referred to as the 
101 \index{principle of superposition}principle of superposition, ``superposition''
102 being merely a fancy word for ``adding.''
104 Superposition can occur not just with sinusoidal waves like
105 the ones in the figure above but with waves of any shape.
106 The figures on the following page show superposition of wave
107 \index{pulse!defined}\emph{pulses}. A pulse is simply a wave of
108 very short duration. These pulses consist only of a single
109 hump or trough. If you hit a clothesline sharply, you will
110 observe pulses heading off in both directions. This is
111 analogous to the way ripples spread out in all directions
112 when you make a disturbance at one point on water. The same
113 occurs when the hammer on a piano comes up and hits a string.
115 Experiments to date have not shown any deviation from the
116 principle of superposition in the case of light waves. For
117 other types of waves, it is typically a very good approximation
118 for low-energy waves.
120 \startdq
122 \begin{dq}
123 In figure \subfigref{coil-spring-superposition}{3}, the fifth frame shows the spring
124 just about perfectly flat. If the two pulses have essentially
125 canceled each other out perfectly, then why does the motion
126 pick up again? Why doesn't the spring just stay flat?
127 \end{dq}
130   fig(
131     'coil-spring-superposition',
132     %q{%
133       These pictures show the motion of wave pulses along a spring.
134       To make a pulse, one end of the spring was shaken by hand. Movies were filmed, and a series of frame chosen
135       to show the motion.\\
136       1. A pulse travels to the left.\\
137       2. Superposition of two colliding positive pulses.\\
138       3. Superposition of two colliding pulses, one positive and one negative.
139     },
140     {
141       'width'=>'fullpage'
142     }
143   )
147   fig(
148     'pete',
149     %q{%
150       As the wave pattern passes the rubber duck, the duck stays put. The water isn't
151       moving forward with the wave.
152     },
153     {
154       'width'=>'wide'
155     }
156   )
159 <% end_sec() %>
160 <% begin_sec("2. The medium is not transported with the wave.") %>
162 Figure \figref{pete} shows a series of water
163 waves before it has reached a rubber duck (left), having
164 just passed the duck (middle) and having progressed about a
165 meter beyond the duck (right). The duck bobs around its
166 initial position, but is not carried along with the wave.
167 This shows that the water itself does not flow outward with
168 the wave. If it did, we could empty one end of a swimming
169 pool simply by kicking up waves! We must distinguish between
170 the motion of the medium (water in this case) and the motion
171 of the wave pattern through the medium. The medium vibrates;
172 the wave progresses through space.
174 <% marg(60) %>
176   fig(
177     'ribbon-on-spring',
178     %q{%
179       As the wave pulse goes
180       by, the ribbon tied to the spring is not carried along. The motion
181       of the wave pattern is to the right, but the medium (spring) is
182       moving up and down, not to the right.
183     }
184   )
186 <% end_marg %>
188 <% self_check('ribbon-on-spring',<<-'SELF_CHECK'
189 In figure \\figref{ribbon-on-spring}, you can detect the side-to-side
190 motion of the spring because the spring appears blurry. At a
191 certain instant, represented by a single photo, how would
192 you describe the motion of the different parts of the
193 spring? Other than the flat parts, do any parts of the
194 spring have zero velocity?
195   SELF_CHECK
196   ) %>
198 \enlargethispage{-2\baselineskip}
200 __incl(eg/worm)
202 \enlargethispage{-2\baselineskip}
204 \begin{eg}{Surfing}\label{eg:surfing}
205 The incorrect belief that the medium moves with the wave is
206 often reinforced by garbled secondhand knowledge of surfing.
207 Anyone who has actually surfed knows that the front of the
208 board pushes the water to the sides, creating a wake --- the
209 surfer can even drag his hand through the water, as in figure
210 \figref{surfing-hand-drag}. If the
211 water was moving along with the wave and the surfer, this
212 wouldn't happen. The surfer is carried forward because
213 forward is downhill, not because of any forward flow of the
214 water. If the water was flowing forward, then a person
215 floating in the water up to her neck would be carried along
216 just as quickly as someone on a surfboard. In fact, it is
217 even possible to surf down the back side of a wave, although
218 the ride wouldn't last very long because the surfer and the
219 wave would quickly part company.
220 \end{eg}
222 <% end_sec() %>
223 <% begin_sec("3. A wave's velocity depends on the medium.") %>
225 <% marg(70) %>
227   fig(
228     'surfing-hand-drag',
229     %q{%
230       Example \ref{eg:surfing}. The
231       surfer is dragging his hand in the water.
232     }
233   )
235 \spacebetweenfigs
237   fig(
238     'breaking-wave',
239     %q{Example \ref{eg:breaking-wave}: a breaking wave.}
240   )
242 \spacebetweenfigs
244   fig(
245     'hull-speed',
246     %q{%
247       Example \ref{eg:hull-speed}. The boat has run up against
248       a limit on its speed because it can't climb over its own wave. Dolphins get around the
249       problem by leaping out of the water.
250     }
251   )
253 <% end_marg %>
255 A material object can move with any velocity, and can be
256 sped up or slowed down by a force that increases or
257 decreases its kinetic energy. Not so with waves. The
258 magnitude of a wave's velocity depends on the properties of
259 the medium (and perhaps also on the shape of the wave, for
260 certain types of waves). Sound waves travel at about 340 m/s
261 in air, 1000 m/s in helium.\index{sound!speed of} If you kick up water waves in a
262 pool, you will find that kicking harder makes waves that are
263 taller (and therefore carry more energy), not faster. The
264 sound waves from an exploding stick of dynamite carry a lot
265 of energy, but are no faster than any other waves. 
266 Thus although both waves and physical objects carry energy as they move through space,
267 the energy of the wave relates to its amplitude, not to its speed.
269 In the
270 following section we will give an example of the physical
271 relationship between the wave speed and the properties of the medium.
273 \begin{eg}{Breaking waves}\label{eg:breaking-wave}
274 The velocity of water waves
275 increases with depth. The crest of a wave
276 travels faster than the trough, and this can cause
277 the wave to break.
278 \end{eg}
280 Once a wave is created, the only reason its speed will
281 change is if it enters a different medium or if the
282 properties of the medium change. It is not so surprising
283 that a change in medium can slow down a wave, but the
284 reverse can also happen. A sound wave traveling through a
285 helium balloon will slow down when it emerges into the air,
286 but if it enters another balloon it will speed back up
287 again! Similarly, water waves travel more quickly over
288 deeper water, so a wave will slow down as it passes over an
289 underwater ridge, but speed up again as it emerges into deeper water.
291 \begin{eg}{Hull speed}\label{eg:hull-speed}
292  The speeds of most boats, and of some surface-swimming
293 animals, are limited by the fact that they make a wave due
294 to their motion through the water. The boat in figure \figref{hull-speed}
295 is going at the same speed as its own waves, and can't go any faster.
296 No matter how hard the boat pushes
297 against the water, it can't make the wave move ahead faster and get out of the
298 way. The wave's speed depends only on the medium. Adding energy to the wave
299 doesn't speed it up, it just increases its amplitude.
301 A water wave, unlike many other types of wave, has a speed
302 that depends on its shape: a broader wave moves faster. The
303 shape of the wave made by a boat tends to mold itself to
304 the shape of the boat's hull, so a boat with a longer hull
305 makes a broader wave that moves faster. The maximum speed of
306 a boat whose speed is limited by this effect is therefore
307 closely related to the length of its hull, and the maximum
308 speed is called the hull speed. Sailboats designed for racing are
309 not just long and skinny to make
310 them more streamlined --- they are also long so that their
311 hull speeds will be high.
312 \end{eg}
314 <% end_sec() %>
315 <% begin_sec("Wave patterns") %>
317 <% marg(35) %>
319   fig(
320     'wave-patterns',
321     %q{Circular and linear wave patterns.}
322   )
324 \spacebetweenfigs
326   fig(
327     'wave-patterns-three-d',
328     %q{Plane and spherical wave patterns.}
329   )
332 <% end_marg %>
333 If the magnitude of a wave's velocity vector is preordained,
334 what about its direction? Waves spread out in all directions
335 from every point on the disturbance that created them. If
336 the disturbance is small, we may consider it as a single
337 point, and in the case of water waves the resulting wave
338 pattern is the familiar circular ripple, \figref{wave-patterns}/1. If, on the other
339 hand, we lay a pole on the surface of the water and wiggle
340 it up and down, we create a linear wave pattern, \figref{wave-patterns}/2. For a
341 three-dimensional wave such as a sound wave, the analogous
342 patterns would be spherical waves and plane waves,
343 \figref{wave-patterns-three-d}.
345 Infinitely many patterns are possible, but linear or plane
346 waves are often the simplest to analyze, because the
347 velocity vector is in the same direction no matter what part
348 of the wave we look at. Since all the velocity vectors are
349 parallel to one another, the problem is effectively
350 one-dimensional. Throughout this chapter and the next, we
351 will restrict ourselves mainly to wave motion in one
352 dimension, while not hesitating to broaden our horizons when
353 it can be done without too much complication.
355 \pagebreak
357 \startdqs
359 \begin{dq}
360 [see above]
361 \end{dq}
363 \begin{dq}
364 Sketch two positive wave pulses on a string that are
365 overlapping but not right on top of each other, and draw
366 their superposition. Do the same for a positive pulse
367 running into a negative pulse.
368 \end{dq}
370 \begin{dq}
371 A traveling wave pulse is moving to the right on a
372 string. Sketch the velocity vectors of the various parts of
373 the string. Now do the same for a pulse moving to the left.
374 \end{dq}
376 \begin{dq}
377 In a spherical sound wave spreading out from a point, how
378 would the energy of the wave fall off with distance?
379 \end{dq}
381 <% end_sec() %>
382 <% end_sec() %>
383 <% begin_sec("Waves on a String",3,'waves-on-a-string') %>
385 So far you have learned some counterintuitive things about
386 the behavior of waves, but intuition can be trained. The
387 first half of this section aims to build your intuition by
388 investigating a simple, one-dimensional type of wave: a wave
389 on a string. If you have ever stretched a string between the
390 bottoms of two open-mouthed cans to talk to a friend, you
391 were putting this type of wave to work. Stringed instruments
392 are another good example. Although we usually think of a
393 piano wire simply as vibrating, the hammer actually strikes
394 it quickly and makes a dent in it, which then ripples out in
395 both directions. Since this chapter is about free waves, not
396 bounded ones, we pretend that our string is infinitely long.
398 <% marg(60) %>
400   fig(
401     'piano-hammer',
402     %q{%
403       Hitting a key on a piano causes a hammer
404       to come up from underneath and hit a string (actually a set of
405       three strings). The result is a pair of pulses moving away from
406       the point of impact.
407     }
408   )
410 \spacebetweenfigs
412   fig(
413     'pulse-on-string',
414     %q{%
415       A string is struck with a hammer, 1,
416       and two pulses fly off, 2.
417     }
418   )
420 \spacebetweenfigs
422   fig(
423     'ball-and-spring-model',
424     %q{%
425       A continuous string can be modeled as
426       a series of discrete masses connected by springs.
427     }
428   )
431 <% end_marg %>
432 After the qualitative discussion, we will use simple
433 approximations to investigate the speed of a wave pulse on a
434 string. This quick and dirty treatment is then followed by a
435 rigorous attack using the methods of calculus, which may be
436 skipped by the student who has not studied calculus. How far
437 you penetrate in this section is up to you, and depends on
438 your mathematical self-confidence. If you skip some of the math,
439 you should nevertheless absorb the significance of the result,
440 discussed on p.~\pageref{wave-on-string-significance}.
442 <% begin_sec("Intuitive ideas") %>
444 Consider a string that has been struck, \figref{pulse-on-string}/1, resulting in
445 the creation of two wave pulses, 2, one traveling to the
446 left and one to the right. This is analogous to the way
447 ripples spread out in all directions from a splash in water,
448 but on a one-dimensional string, ``all directions'' becomes
449 ``both directions.''
451 We can gain insight by modeling the string as a series of
452 masses connected by springs. (In the actual string the mass
453 and the springiness are both contributed by the molecules
454 themselves.) If we look at various microscopic portions of
455 the string, there will be some areas that are flat, \figref{ball-and-spring-model}/1,
456 some that are sloping but not curved, 2, and some that are
457 curved, 3 and 4. In example 1 it is clear that both
458 the forces on the central mass cancel out, so it will not
459 accelerate. The same is true of 2, however. Only in curved
460 regions such as 3 and 4 is an acceleration produced. In
461 these examples, the vector sum of the two forces acting on
462 the central mass is not zero. The important concept is that
463 curvature makes force: the curved areas of a wave tend to
464 experience forces resulting in an acceleration toward the
465 mouth of the curve. Note, however, that an uncurved portion
466 of the string need not remain motionless. It may move at
467 constant velocity to either side.
469 <% end_sec() %>
470 <% begin_sec("Approximate treatment") %>
472 <% marg(0) %>
474   fig(
475     'triangular-pulse',
476     %q{A triangular pulse spreads out.}
477   )
479 <% end_marg %>
480 We now carry out an approximate treatment of the speed at
481 which two pulses will spread out from an initial indentation
482 on a string. For simplicity, we imagine a hammer blow that
483 creates a triangular dent, \figref{triangular-pulse}/1. We will estimate the amount
484 of time, $t$, required until each of the pulses has traveled
485 a distance equal to the width of the pulse itself. The
486 velocity of the pulses is then $\pm w/t$.
488 As always, the velocity of a wave depends on the properties
489 of the medium, in this case the string. The properties of
490 the string can be summarized by two variables: the tension,
491 $T$, and the mass per unit length, $\mu $ (Greek letter mu).
493 If we consider the part of the string encompassed by the
494 initial dent as a single object, then this object has a mass
495 of approximately $\mu w$ ($\text{mass}/\text{length}\times\text{length}=\text{mass})$.
496 (Here, and throughout the derivation, we assume that $h$ is
497 much less than $w$, so that we can ignore the fact that this
498 segment of the string has a length slightly greater than
499 $w$.) Although the downward acceleration of this segment of
500 the string will be neither constant over time nor uniform
501 across the string, we will pretend that it is constant for
502 the sake of our simple estimate. Roughly speaking, the time
503 interval between \figref{triangular-pulse}/1 and 2 is the amount of time required
504 for the initial dent to accelerate from rest and reach its
505 normal, flattened position. Of course the tip of the
506 triangle has a longer distance to travel than the edges, but
507 again we ignore the complications and simply assume that the
508 segment as a whole must travel a distance $h$. Indeed, it
509 might seem surprising that the triangle would so neatly
510 spring back to a perfectly flat shape. It is an experimental
511 fact that it does, but our analysis is too crude to
512 address such details.
514 The string is kinked, i.e., tightly curved, at the edges of
515 the triangle, so it is here that there will be large forces
516 that do not cancel out to zero. There are two forces acting
517 on the triangular hump, one of magnitude $T$ acting down and
518 to the right, and one of the same magnitude acting down and
519 to the left. If the angle of the sloping sides is $\theta $,
520 then the total force on the segment equals 
521 $2T \sin\theta $. Dividing the triangle into two right triangles,
522 we see that $\sin \theta $ equals $h$ divided by the length
523 of one of the sloping sides. Since $h$ is much less than
524 $w$, the length of the sloping side is essentially the same
525 as $w/2$, so we have $\sin \theta =2h/w$, and $F=4Th/w$.
526 The acceleration of the segment (actually the acceleration
527 of its center of mass) is
528 \begin{align*}
529  a &= F/m \\
530  &= 4Th/\mu w^2 \qquad .
531 \end{align*}
532 The time required to move a distance $h$ under constant
533 acceleration $a$ is found by solving $h=\frac{1}{2}at^2$ to yield
534 \begin{align*}
535  t &= \sqrt{\frac{2h}{a}}\\
536    &= w\sqrt{\frac{\mu}{2T}} \qquad .
537 \end{align*}
538 Our final result for the velocity of the pulses is
539 \begin{align*}
540  |v| &= \frac{w}{t} \\
541      &= \sqrt{\frac{2T}{\mu}}\qquad .
542 \end{align*}
543 The remarkable feature of this result is that the velocity
544 of the pulses does not depend at all on $w$ or $h$, i.e., any
545 triangular pulse has the same speed. It is an experimental
546 fact (and we will also prove rigorously in the following
547 subsection) that any pulse of any kind, triangular or
548 otherwise, travels along the string at the same speed. Of
549 course, after so many approximations we cannot expect to
550 have gotten all the numerical factors right. The correct
551 result for the velocity of the pulses is
552 \begin{equation*}
553                 v         =  \sqrt{\frac{T}{\mu}}      \qquad   .
554 \end{equation*}
556 The importance of the above derivation lies in the insight
557 it brings ---that all pulses move with the same speed ---
558 rather than in the details of the numerical result. The
559 reason for our too-high value for the velocity is not hard
560 to guess. It comes from the assumption that the acceleration
561 was constant, when actually the total force on the segment
562 would diminish as it flattened out.
564 <% end_sec() %>
565 <% begin_sec("Rigorous derivation using calculus (optional)") %>
567 After expending considerable effort for an approximate
568 solution, we now display the power of calculus with a
569 rigorous and completely general treatment that is nevertheless
570 much shorter and easier. Let the flat position of the string
571 define the $x$ axis, so that $y$ measures how far a point on
572 the string is from equilibrium. The motion of the string is
573 characterized by $y(x,t)$, a function of two variables.
574 Knowing that the force on any small segment of string
575 depends on the curvature of the string in that area, and
576 that the second derivative is a measure of curvature, it is
577 not surprising to find that the infinitesimal force
578 $\der F$ acting on an infinitesimal segment $\der x$ is given by
579 \begin{equation*}
580                 \der F         = T \frac{\der^2 y}{\der x^2} \der x      \qquad   .
581 \end{equation*}
582 (This can be proved by vector addition of the two infinitesimal
583 forces acting on either side.) The acceleration is then
584 $a=\der F/\der m$, or, substituting $\der m=\mu dx$,
585 \begin{equation*}
586         \frac{\der^2 y}{\der t^2} = \frac{T}{\mu}\frac{\der^2 y}{\der x^2}   \qquad   .
587 \end{equation*}
588 The second derivative with respect to time is related to the
589 second derivative with respect to position. This is no more
590 than a fancy mathematical statement of the intuitive fact
591 developed above, that the string accelerates so as to
592 flatten out its curves.
594 Before even bothering to look for solutions to this
595 equation, we note that it already proves the principle of
596 superposition, because the derivative of a sum is the sum of
597 the derivatives. Therefore the sum of any two solutions
598 will also be a solution.
600 Based on experiment, we expect that this equation will be
601 satisfied by any function $y(x,t)$ that describes a pulse or
602 wave pattern moving to the left or right at the correct
603 speed $v$. In general, such a function will be of the form
604 $y=f(x-vt)$ or $y=f(x+vt)$, where $f$ is any
605 function of one variable. Because of the chain rule, each
606 derivative with respect to time brings out a factor of $\pm v$.
607 Evaluating the second derivatives on both sides of the equation gives
608 \begin{equation*}
609         \left(\pm v\right)^2\: f''                    =       \frac{T}{\mu} f''\qquad   .
610 \end{equation*}
611 Squaring gets rid of the sign, and we find that we have a
612 valid solution for any function $f$, provided that $v$ is given by
613 \begin{equation*}
614                         v  =  \sqrt{\frac{T}{\mu}}   \qquad   .
615 \end{equation*}
617 <% end_sec() %>
618 <% begin_sec("Significance of the result",4) %>\label{wave-on-string-significance}
619 This specific result for the speed of waves on a string, $v=\sqrt{T/\mu}$, is utterly unimportant.
620 Don't memorize it. Don't take notes on it. Try to erase it from your memory.
622 What \emph{is} important about this result is that it is an example of two 
623 things that are usually true, at least approximately, for mechanical waves in general:
624 \begin{enumerate}
625 \item  The speed at which a wave moves does not depend on the size or shape of the wave.
626 \item  The speed of a mechanical wave depends on a combination of two properties of the medium: some measure of its \emph{inertia}
627        and some measure of its \emph{tightness}, i.e., the strength of the force trying to bring the medium back toward equilibrium.
628 \end{enumerate}
630 <% self_check('interpret-waves-on-string',<<-'SELF_CHECK'
631 (a) What is it about the equation $v=\\sqrt{T/\\mu}$ that relates to fact 1 above?
632 (b) In the equation $v=\\sqrt{T/\\mu}$, which variable is a measure of inertia, and which is a measure of tightness?
633 (c) Now suppose that we produce compressional wave pulses in a metal rod by tapping the end of the rod with a hammer.
634 What physical properties of the rod would play the roles of inertia and tightness? How would you expect the speed of compressional waves
635 in lead to compare with their speed in aluminum?
636   SELF_CHECK
637   ) %>
638 <% end_sec() %>
639 <% end_sec() %>
640 <% begin_sec("Sound and Light Waves",3) %>\index{sound}\index{light}
642 <% begin_sec("Sound waves") %>
644 The phenomenon of sound is easily found to have all the
645 characteristics we expect from a wave phenomenon:
647 \begin{itemize}
648 \item Sound waves obey superposition. Sounds do not knock other
649 sounds out of the way when they collide, and we can hear
650 more than one sound at once if they both reach our ear simultaneously.
652 \item The medium does not move with the sound. Even standing in
653 front of a titanic speaker playing earsplitting music, we do
654 not feel the slightest breeze.
656 \item The velocity of sound depends on the medium. Sound travels
657 faster in helium than in air, and faster in water than in
658 helium. Putting more energy into the wave makes it more
659 intense, not faster. For example, you can easily detect an
660 echo when you clap your hands a short distance from a large,
661 flat wall, and the delay of the echo is no shorter for a louder clap.
662 \end{itemize}
664 Although not all waves have a speed that is independent of
665 the shape of the wave, and this property therefore is
666 irrelevant to our collection of evidence that sound is a
667 wave phenomenon, sound does nevertheless have this property.
668 For instance, the music in a large concert hall or stadium
669 may take on the order of a second to reach someone seated in
670 the nosebleed section, but we do not notice or care, because
671 the delay is the same for every sound. Bass, drums, and
672 vocals all head outward from the stage at 340 m/s,
673 regardless of their differing wave shapes.
675 If sound has all the properties we expect from a wave, then
676 what type of wave is it? It must be a vibration of a
677 physical medium such as air, since the speed of sound is
678 different in different media, such as helium or water.
679 Further evidence is that we don't receive sound signals that
680 have come to our planet through outer space. The roars and
681 whooshes of Hollywood's space ships are fun, but scientifically wrong.\footnote{Outer
682 space is not a perfect vacuum, so it is possible for sounds waves to travel through
683 it. However, if we want to create a sound wave, we typically do it by creating
684 vibrations of a physical object, such as the sounding board of a guitar,
685 the reed of a saxophone, or a speaker cone. The lower the density of the surrounding
686 medium, the less efficiently the energy can be converted into sound and
687 carried away. An isolated tuning fork, left to vibrate in interstellar space,
688 would dissipate the energy of its vibration into internal heat at a rate
689 many orders of magnitude greater than the rate of sound emission into the
690 nearly perfect vacuum around it.}
692 We can also tell that sound waves consist of compressions
693 and expansions, rather than sideways vibrations like the
694 shimmying of a snake. Only compressional vibrations would be
695 able to cause your eardrums to vibrate in and out. Even for
696 a very loud sound, the compression is extremely weak; the
697 increase or decrease compared to normal atmospheric pressure
698 is no more than a part per million. Our ears are apparently
699 very sensitive receivers! 
700 Unlike a wave on a string, which vibrates in the direction perpendicular
701 to the direction in which the wave pattern moves, a sound wave is
702 a longitudinal wave,\index{longitudinal wave}\index{wave!longitudinal} i.e., one in which the vibration is forward and
703 backward along the direction of motion.
705 <% end_sec() %>
706 <% begin_sec("Light waves") %>
708 Entirely similar observations lead us to believe that light
709 is a wave, although the concept of light as a wave had a
710 long and tortuous history. It is interesting to note that
711 Isaac Newton very influentially advocated a contrary idea
712 about light. The belief that matter was made of atoms was
713 stylish at the time among radical thinkers (although there
714 was no experimental evidence for their existence), and it
715 seemed logical to Newton that light as well should be made
716 of tiny particles, which he called corpuscles (Latin for
717 ``small objects''). Newton's triumphs in the science of
718 mechanics, i.e., the study of matter, brought him such great
719 prestige that nobody bothered to question his incorrect
720 theory of light for 150 years. One persuasive proof that
721 light is a wave is that according to Newton's theory, two
722 intersecting beams of light should experience at least some
723 disruption because of collisions between their corpuscles.
724 Even if the corpuscles were extremely small, and collisions
725 therefore very infrequent, at least some dimming should have
726 been measurable. In fact, very delicate experiments have
727 shown that there is no dimming.
729 The wave theory of light was entirely successful up until
730 the 20th century, when it was discovered that not all the
731 phenomena of light could be explained with a pure wave
732 theory. It is now believed that both light and matter are
733 made out of tiny chunks which have \emph{both} wave and
734 particle properties. For now, we will content ourselves with
735 the wave theory of light, which is capable of explaining a
736 great many things, from cameras to rainbows.
738 If light is a wave, what is waving? What is the medium that
739 wiggles when a light wave goes by? It isn't air. A vacuum is
740 impenetrable to sound, but light from the stars travels
741 happily through zillions of miles of empty space. Light
742 bulbs have no air inside them, but that doesn't prevent the
743 light waves from leaving the filament. For a long time,
744 physicists assumed that there must be a mysterious medium
745 for light waves, and they called it the aether (not to be
746 confused with the chemical). Supposedly the aether existed
747 everywhere in space, and was immune to vacuum pumps. The
748 details of the story are more fittingly reserved for later
749 in this course, but the end result was that a long series of
750 experiments failed to detect any evidence for the aether,
751 and it is no longer believed to exist. Instead, light can be
752 explained as a wave pattern made up of electrical and magnetic fields.
754  %%---------------------------------------------------------
756 <% figure_in_toc('surfing-hand-drag',{'scootx'=>-6}) %>
758  %%---------------------------------------------------------
760 <% end_sec() %>
761 <% end_sec() %>
762 <% begin_sec("Periodic Waves",4) %>\index{wave!periodic}
764 <% begin_sec("Period and frequency of a periodic wave") %>
766 <% marg(0) %>
768   fig(
769     'aaah',
770     %q{%
771       A graph of pressure versus time for a periodic sound
772       wave, the vowel ``ah.''
773     }
774   )
776 \spacebetweenfigs
778   fig(
779     'shhhh',
780     %q{A similar graph for a non-periodic wave, ``sh.''}
781   )
783 <% end_marg %>
784 You choose a radio station by selecting a certain frequency.
785 We have already defined period and frequency for vibrations,
786 but what do they signify in the case of a wave? We can
787 recycle our previous definition simply by stating it in
788 terms of the vibrations that the wave causes as it passes a
789 receiving instrument at a certain point in space. For a
790 sound wave, this receiver could be an eardrum or a
791 microphone. If the vibrations of the eardrum repeat
792 themselves over and over, i.e., are periodic, then we
793 describe the sound wave that caused them as periodic.
794 Likewise we can define the period and frequency of a wave in
795 terms of the period and frequency of the vibrations it
796 causes. As another example, a periodic water wave would be
797 one that caused a rubber duck to bob in a periodic manner
798 as they passed by it.
800 The period of a sound wave correlates with our sensory
801 impression of musical pitch. A high frequency (short period)
802 is a high note. The sounds that really define the musical
803 notes of a song are only the ones that are periodic. It is
804 not possible to sing a non-periodic sound like ``sh''
805 with a definite pitch.
807 The frequency of a light wave corresponds to color. Violet
808 is the high-frequency end of the rainbow, red the low-frequency
809 end. A color like brown that does not occur in a rainbow is
810 not a periodic light wave. Many phenomena that we do not
811 normally think of as light are actually just forms of light
812 that are invisible because they fall outside the range of
813 frequencies our eyes can detect. Beyond the red end of the
814 visible rainbow, there are infrared and radio waves. Past
815 the violet end, we have ultraviolet, x-rays, and gamma rays.
817 <% end_sec() %>
818 <% begin_sec("Graphs of waves as a function of position") %>
820 <% marg(0) %>
822   fig(
823     'strip-chart-recorder',
824     %q{A strip chart recorder.}
825   )
827 <% end_marg %>
828 Some waves, like sound waves, are easy to study by placing
829 a detector at a certain location in space and studying the
830 motion as a function of time. The result is a graph whose
831 horizontal axis is time. With a water wave, on the other
832 hand, it is simpler just to look at the wave directly. This
833 visual snapshot amounts to a graph of the height of the
834 water wave as a function of \emph{position}. Any wave can be
835 represented in either way.
837 An easy way to visualize this is in terms of a strip chart
838 recorder, an obsolescing device consisting of a pen that
839 wiggles back and forth as a roll of paper is fed under it.
840 It can be used to record a person's electrocardiogram, or
841 seismic waves too small to be felt as a noticeable
842 earthquake but detectable by a seismometer. Taking the
843 seismometer as an example, the chart is essentially a record
844 of the ground's wave motion as a function of time, but if
845 the paper was set to feed at the same velocity as the motion
846 of an earthquake wave, it would also be a full-scale
847 representation of the profile of the actual wave pattern
848 itself. Assuming, as is usually the case, that the wave
849 velocity is a constant number regardless of the wave's
850 shape, knowing the wave motion as a function of time is
851 equivalent to knowing it as a function of position.
853 <% end_sec() %>
854 <% begin_sec("Wavelength") %>\index{wavelength}
856 <% marg(0) %>
858   fig(
859     'wavelength',
860     %q{A water wave profile created by a series of repeating pulses.}
861   )
863 <% end_marg %>
864 Any wave that is periodic will also display a repeating
865 pattern when graphed as a function of position. The distance
866 spanned by one repetition is referred to as one \emph{wavelength}.
867 The usual notation for wavelength is $\lambda $, the Greek
868 letter lambda. Wavelength is to space as period is to time.
871   fig(
872     'circular-and-linear-wavelengths',
873     %q{Wavelengths of linear and circular water waves.},
874     {
875       'width'=>'wide'
876     }
877   )
880 <% end_sec() %>
881 <% begin_sec("Wave velocity related to frequency and wavelength") %>
883 Suppose that we create a repetitive disturbance by kicking
884 the surface of a swimming pool. We are essentially making a
885 series of wave pulses. The wavelength is simply the distance
886 a pulse is able to travel before we make the next pulse. The
887 distance between pulses is $\lambda $, and the time between
888 pulses is the period, $T$, so the speed of the wave is the
889 distance divided by the time,
890 \begin{equation*}
891                 v    =    \lambda /T   .
892 \end{equation*}
894 This important and useful relationship is more commonly
895 written in terms of the frequency,
897 \begin{equation*}
898                 v    =    f \lambda    \qquad   .
899 \end{equation*}
901 \pagebreak
903 \begin{eg}{Wavelength of radio waves}
904 \egquestion The speed of light is $3.0\times10^8$ m/s. What
905 is the wavelength of the radio waves emitted by KMHD, a
906 station whose frequency is 89.1 MHz?
908 \eganswer Solving for wavelength, we have
909 \begin{align*}
910  \lambda &= v/f \\
911  &= (3.0\times10^8\ \munit/\sunit)/(89.1\times10^6\ \sunit^{-1}) \\
912  &= 3.4\ \munit
913 \end{align*}
914 The size of a radio antenna is closely related to the
915 wavelength of the waves it is intended to receive. The match
916 need not be exact (since after all one antenna can receive
917 more than one wavelength!), but the ordinary ``whip''
918 antenna such as a car's is 1/4 of a wavelength. An antenna
919 optimized to receive KMHD's signal would have a length of $3.4\ \munit/4= 0.85\ \munit$.
920 \end{eg}
923   fig(
924     'ultrasound',
925     %q{%
926       Ultrasound, i.e., sound with frequencies higher than the range of human
927       hearing, was used to make this image of a fetus. The resolution of the image is related to
928       the wavelength, since details smaller than about one wavelength cannot be resolved. High
929       resolution therefore requires a short wavelength, corresponding to a high frequency.
930     },
931     {
932       'width'=>'wide',
933       'sidecaption'=>true
934     }
935   )
938 The equation $v=f \lambda $ defines a fixed relationship
939 between any two of the variables if the other is held fixed.
940 The speed of radio waves in air is almost exactly the same
941 for all wavelengths and frequencies (it is exactly the same
942 if they are in a vacuum), so there is a fixed relationship
943 between their frequency and wavelength. Thus we can say
944 either ``Are we on the same wavelength?'' or ``Are we on
945 the same frequency?''
947 <% marg(32) %>
949   fig(
950     'wavelength-change',
951     %q{%
952       A water wave traveling into a region with a different
953       depth changes its wavelength.
954     }
955   )
957 <% end_marg %>
958 A different example is the behavior of a wave that travels
959 from a region where the medium has one set of properties to
960 an area where the medium behaves differently. The frequency
961 is now fixed, because otherwise the two portions of the wave
962 would otherwise get out of step, causing a kink or
963 discontinuity at the boundary, which would be unphysical. (A
964 more careful argument is that a kink or discontinuity would
965 have infinite curvature, and waves tend to flatten out their
966 curvature. An infinite curvature would flatten out
967 infinitely fast, i.e., it could never occur in the first
968 place.) Since the frequency must stay the same, any change
969 in the velocity that results from the new medium must cause
970 a change in wavelength.
972 The velocity of water waves depends on the depth of the
973 water, so based on $\lambda =v/f$, we see that water waves
974 that move into a region of different depth must change their
975 wavelength, as shown in figure \figref{wavelength-change}. This effect
976 can be observed when ocean waves come up to the shore. If
977 the deceleration of the wave pattern is sudden enough, the
978 tip of the wave can curl over, resulting in a breaking wave.
980 \begin{optionaltopic}{A note on dispersive waves}
981 The discussion of wave velocity given here is actually an oversimplification
982 for a wave whose velocity depends on its frequency and wavelength. Such a wave
983 is called a dispersive wave. Nearly all the waves we deal with in this course
984 are non-dispersive, but the issue becomes important in quantum physics,
985 as discussed in more detail in optional section \ref{sec:dispersive-waves}.
986 \end{optionaltopic}
988 <% end_sec() %>
989 <% begin_sec("Sinusoidal waves") %>
991 Sinusoidal waves are the most important special case of
992 periodic waves. In fact, many scientists and engineers would
993 be uncomfortable with defining a waveform like the ``ah''
994 vowel sound as having a definite frequency and wavelength,
995 because they consider only sine waves to be pure examples of
996 a certain frequency and wavelengths. Their bias is not
997 unreasonable, since the French mathematician Fourier showed
998 that any periodic wave with frequency $f$ can be constructed
999 as a superposition of sine waves with frequencies $f$, $2f$,
1000 $3f$, ... In this sense, sine waves are the basic, pure
1001 building blocks of all waves. (Fourier's result so surprised
1002 the mathematical community of France that he was ridiculed
1003 the first time he publicly presented his theorem.)
1005 However, what definition to use is a matter of utility. Our
1006 sense of hearing perceives any two sounds having the same
1007 period as possessing the same pitch, regardless of whether
1008 they are sine waves or not. This is undoubtedly because our
1009 ear-brain system evolved to be able to interpret human
1010 speech and animal noises, which are periodic but not
1011 sinusoidal. Our eyes, on the other hand, judge a color as
1012 pure (belonging to the rainbow set of colors) only
1013 if it is a sine wave.
1015 \pagebreak
1017 \startdq
1019 \begin{dq}
1020 Suppose we superimpose two sine waves with equal amplitudes
1021 but slightly different frequencies, as shown in the figure.
1022 What will the superposition look like? What would this sound
1023 like if they were sound waves?
1026   fig(
1027     'dq-beats',
1028     '',
1029     {
1030       'width'=>'wide',
1031       'anonymous'=>true,
1032       'float'=>false
1033     }
1034   )
1036 \end{dq}
1038 <% end_sec() %>
1039 <% end_sec() %>
1040 <% begin_sec("The Doppler Effect",0,'doppler') %>
1041 <% marg(3) %>
1043   fig(
1044     'doppler',
1045     %q{%
1046       The pattern of waves made by a point source moving to the right
1047       across the water. Note the shorter wavelength of the forward-emitted waves and the longer
1048       wavelength of the backward-going ones.
1049     }
1050   )
1052 <% end_marg %>
1053 Figure \figref{doppler} shows the wave pattern made by the tip of a
1054 vibrating rod which is moving across the water. If the rod
1055 had been vibrating in one place, we would have seen the
1056 familiar pattern of concentric circles, all centered on the
1057 same point. But since the source of the waves is moving, the
1058 wavelength is shortened on one side and lengthened on the
1059 other. This is known as the \index{Doppler effect}Doppler effect.
1061 Note that the velocity of the waves is a fixed property of
1062 the medium, so for example the forward-going waves do not
1063 get an extra boost in speed as would a material object like
1064 a bullet being shot forward from an airplane.
1066 We can also infer a change in frequency. Since the velocity
1067 is constant, the equation $v=f\lambda $ tells us that the
1068 change in wavelength must be matched by an opposite change
1069 in frequency: higher frequency for the waves emitted
1070 forward, and lower for the ones emitted backward. The
1071 frequency Doppler effect is the reason for the familiar
1072 dropping-pitch sound of a race car going by. As the car
1073 approaches us, we hear a higher pitch, but after it passes
1074 us we hear a frequency that is lower than normal.
1076 The Doppler effect will also occur if the observer is moving
1077 but the source is stationary. For instance, an observer
1078 moving toward a stationary source will perceive one crest of
1079 the wave, and will then be surrounded by the next crest
1080 sooner than she otherwise would have, because she has moved
1081 toward it and hastened her encounter with it. Roughly
1082 speaking, the Doppler effect depends only the relative
1083 motion of the source and the observer, not on their absolute
1084 state of motion (which is not a well-defined notion in
1085 physics) or on their velocity relative to the medium.
1087 Restricting ourselves to the case of a moving source, and to
1088 waves emitted either directly along or directly against the
1089 direction of motion, we can easily calculate the wavelength,
1090 or equivalently the frequency, of the Doppler-shifted waves.
1091 Let $v$ be the velocity of the waves, and $v_s$ the velocity
1092 of the source. The wavelength of the forward-emitted waves
1093 is shortened by an amount $v_s T$ equal to the distance
1094 traveled by the source over the course of one period. Using
1095 the definition $f=1/T$ and the equation $v=f\lambda $, we
1096 find for the wavelength of the Doppler-shifted wave the equation
1097 \begin{equation*}
1098         \lambda'    = \left(1-\frac{v_s}{v}\right)\lambda      \qquad   .
1099 \end{equation*}
1100 A similar equation can be used for the backward-emitted
1101 waves, but with a plus sign rather than a minus sign.
1103 \begin{eg}{Doppler-shifted sound from a race car}
1104 \egquestion If a race car moves at a velocity of 50 m/s, and
1105 the velocity of sound is 340 m/s, by what percentage are the
1106 wavelength and frequency of its sound waves shifted for an
1107 observer lying along its line of motion?
1109 \eganswer For an observer whom the car is approaching, we find
1110 \begin{equation*}
1111         1-\frac{v_s}{v}                 =    0.85   \qquad   ,
1112 \end{equation*}
1113 so the shift in wavelength is 15\%. Since the frequency is
1114 inversely proportional to the wavelength for a fixed value
1115 of the speed of sound, the frequency is shifted upward by
1116 \begin{equation*}
1117                 1/0.85         =    1.18  ,
1118 \end{equation*}
1119 i.e., a change of 18\%. (For velocities that are small
1120 compared to the wave velocities, the Doppler shifts of the
1121 wavelength and frequency are about the same.)
1122 \end{eg}
1124 \begin{eg}{Doppler shift of the light emitted by a race car}
1125 \egquestion What is the percent shift in the wavelength of the
1126 light waves emitted by a race car's headlights?
1128 \eganswer Looking up the speed of light, $v=3.0\times10^8$ m/s, we find
1129 \begin{equation*}
1130         1-\frac{v_s}{v} =    0.99999983   \qquad   ,
1131 \end{equation*}
1132 i.e., the percentage shift is only 0.000017\%.
1133 \end{eg}
1135 The second example shows that under ordinary earthbound
1136 circumstances, Doppler shifts of light are negligible
1137 because ordinary things go so much slower than the speed of
1138 light. It's a different story, however, when it comes to
1139 stars and galaxies, and this leads us to a story that has
1140 profound implications for our understanding of the
1141 origin of the universe.
1143 <% marg(20) %>
1145   fig(
1146     'doppler-radar',
1147     %q{%
1148       Example \ref{eg:doppler-radar}. A Doppler
1149       radar image of Hurricane Katrina, in 2005.
1150     }
1151   )
1153 <% end_marg %>
1154 \begin{eg}{Doppler radar}\label{eg:doppler-radar}
1155 The first use of radar was by Britain during World War II: antennas on
1156 the ground sent radio waves up into the sky, and detected the echoes when
1157 the waves were reflected from German planes. Later, air forces wanted to
1158 mount radar antennas on airplanes, but then there was a problem, because
1159 if an airplane wanted to detect another airplane at a lower altitude, it
1160 would have to aim its radio waves downward, and then it would get echoes
1161 from the ground. The solution was the invention of Doppler radar, in which
1162 echoes from the ground were differentiated from echoes from other aircraft
1163 according to their Doppler shifts. A similar technology is used by
1164 meteorologists to map out rainclouds without being swamped by reflections
1165 from the ground, trees, and buildings.
1166 \end{eg}
1168 \begin{optionaltopic}{Optional topic: Doppler shifts of light}\label{qualitative-doppler-light}
1169 If Doppler shifts depend only on the relative motion of the source and receiver, then
1170  there is no way for a person moving with the source and another person moving with the receiver
1171  to determine who is moving and who isn't. Either can blame the Doppler shift entirely
1172  on the other's motion and claim to be at rest herself. This is entirely in agreement
1173  with the principle stated originally by Galileo that all motion is relative.
1175 On the other hand, a careful analysis of the Doppler shifts of water or sound
1176  waves shows that it is only approximately true, at low speeds, that the shifts  just depend
1177  on the relative motion of the source and observer. For instance, it is possible for
1178  a jet plane to keep up with its own sound waves, so that the sound waves appear to
1179  stand still to the pilot of the plane. The pilot then knows she is moving at exactly the
1180  speed of sound. The reason this doesn't disprove the relativity of motion is that the pilot
1181  is not really determining her absolute motion but rather her motion relative to the air, which is the medium of the sound waves.
1183 Einstein realized that this solved the problem for sound or water waves, but would not
1184  salvage the principle of relative motion in the case of light waves, since light
1185  is not a vibration of any physical medium such as water or air. Beginning by
1186  imagining what a beam of light would look like to a person riding a
1187  motorcycle alongside it, Einstein eventually came up with a radical new way of describing
1188  the universe, in which space and time are distorted as measured by observers in different states
1189  of motion. As a consequence of this theory of relativity, he showed that light waves would have
1190  Doppler shifts that would exactly, not just approximately, depend only on the relative motion of the source and receiver.
1191 The resolution of the motorcycle paradox is given in example \ref{eg:einstein-motorcycle} on p.~\pageref{eg:einstein-motorcycle},
1192 and a quantitative discussion of Doppler shifts of light is given on p.~\pageref{subsec:doppler-light}.
1193 \end{optionaltopic}
1195 <% begin_sec("The Big Bang",nil,'hubble') %>\label{bigbang}
1196 <% marg(0) %>
1198   fig(
1199     'm51',
1200     %q{%
1201       The galaxy M51. Under high magnification, the milky clouds reveal
1202       themselves to be composed of trillions of stars.
1203     }
1204   )
1206 <% end_marg %>
1208 As soon as astronomers began looking at the sky through
1209 telescopes, they began noticing certain objects that looked
1210 like clouds in deep space. The fact that they looked the
1211 same night after night meant that they were beyond the
1212 earth's atmosphere. Not knowing what they really were, but
1213 wanting to sound official, they called them ``nebulae,'' a
1214 Latin word meaning ``clouds'' but sounding more impressive.
1215 In the early 20th century, astronomers realized that
1216 although some really were clouds of gas (e.g., the middle
1217 ``star'' of Orion's sword, which is visibly fuzzy even to
1218 the naked eye when conditions are good), others were what we
1219 now call galaxies: virtual island universes consisting of
1220 trillions of stars (for example the Andromeda Galaxy, which
1221 is visible as a fuzzy patch through binoculars). Three
1222 hundred years after Galileo had resolved the Milky Way into
1223 individual stars through his telescope, astronomers realized
1224 that the universe is made of galaxies of stars, and the
1225 Milky Way is simply the visible part of the flat disk of our
1226 own galaxy, seen from inside.
1228 This opened up the scientific study of cosmology, the
1229 structure and history of the universe as a whole, a field
1230 that had not been seriously attacked since the days of
1231 Newton. Newton had realized that if gravity was always
1232 attractive, never repulsive, the universe would have a
1233 tendency to collapse. His solution to the problem was to
1234 posit a universe that was infinite and uniformly populated
1235 with matter, so that it would have no geometrical center.
1236 The gravitational forces in such a universe would always
1237 tend to cancel out by symmetry, so there would be no
1238 collapse. By the 20th century, the belief in an unchanging
1239 and infinite universe had become conventional wisdom in
1240 science, partly as a reaction against the time that had been
1241 wasted trying to find explanations of ancient geological
1242 phenomena based on catastrophes suggested by biblical
1243 events like Noah's flood.
1245 In the 1920's astronomer Edwin Hubble began studying the
1246 Doppler shifts of the light emitted by galaxies. A former
1247 college football player with a serious nicotine addiction,
1248 Hubble did not set out to change our image of the beginning
1249 of the universe. His autobiography seldom even mentions the
1250 cosmological discovery for which he is now remembered. When
1251 astronomers began to study the Doppler shifts of galaxies,
1252 they expected that each galaxy's direction and velocity of
1253 motion would be essentially random. Some would be approaching
1254 us, and their light would therefore be Doppler-shifted to
1255 the blue end of the spectrum, while an equal number would be
1256 expected to have red shifts. What Hubble discovered instead
1257 was that except for a few very nearby ones, all the galaxies
1258 had red shifts, indicating that they were receding from us
1259 at a hefty fraction of the speed of light. Not only that,
1260 but the ones farther away were receding more quickly. The
1261 speeds were directly proportional to their distance from us.
1262 <% marg(220) %>
1264   fig(
1265     'sirius',
1266     %q{How do astronomers know what mixture of wavelengths a star emitted originally, so that they can tell how much the Doppler shift was? This image (obtained by the author with equipment costing about \$5, and no telescope) shows the mixture of colors emitted by the star Sirius. (If you have the book in black and white, blue is on the left and red on the right.) The star appears white or bluish-white to the eye, but any light looks white if it contains roughly an equal mixture of the rainbow colors, i.e., of all the pure sinusoidal waves with wavelengths lying in the visible range. Note the black ``gap teeth.'' These are the fingerprint of hydrogen in the outer atmosphere of Sirius. These wavelengths are selectively absorbed by hydrogen. Sirius is in our own galaxy, but similar stars in other galaxies would have the whole pattern shifted toward the red end, indicating they are moving away from us.}
1267   )
1269 \spacebetweenfigs
1271   fig(
1272     'mount-wilson',
1273     %q{The telescope at Mount Wilson used by Hubble.}
1274   )
1276 <% end_marg %>
1278 Did this mean that the earth (or at least our galaxy) was
1279 the center of the universe? No, because Doppler shifts of
1280 light only depend on the relative motion of the source and
1281 the observer. If we see a distant galaxy moving away from us
1282 at 10\% of the speed of light, we can be assured that the
1283 astronomers who live in that galaxy will see ours receding
1284 from them at the same speed in the opposite direction. The
1285 whole universe can be envisioned as a rising loaf of raisin
1286  bread. As the bread expands, there is more and more space
1287 between the raisins. The farther apart two raisins are, the
1288 greater the speed with which they move apart.
1290 Extrapolating backward in time using the known laws of
1291 physics, the universe must have been denser and denser at
1292 earlier and earlier times. At some point, it must have been
1293 extremely dense and hot, and we can even detect the
1294 radiation from this early fireball, in the form of microwave
1295 radiation that permeates space. The phrase Big Bang was
1296 originally coined by the doubters of the theory to make it
1297 sound ridiculous, but it stuck, and today essentially all
1298 astronomers accept the Big Bang theory based on the very
1299 direct evidence of the red shifts and the cosmic microwave
1300 background radiation.
1302 <% end_sec() %>
1303 <% begin_sec("What the big bang is not") %>
1305 Finally it should be noted what the Big Bang theory is not.
1306 It is not an explanation of \emph{why} the universe exists.
1307 Such questions belong to the realm of religion, not science.
1308 Science can find ever simpler and ever more fundamental
1309 explanations for a variety of phenomena, but ultimately
1310 science takes the universe as it is according to observations.
1313 Furthermore, there is an unfortunate tendency, even among
1314 many scientists, to speak of the Big Bang theory as a
1315 description of the very first event in the universe, which
1316 caused everything after it. Although it is true that time
1317 may have had a beginning (Einstein's theory of general
1318 relativity admits such a possibility), the methods of
1319 science can only work within a certain range of conditions
1320 such as temperature and density. Beyond a temperature of
1321 about $10^9$ degrees C, the random thermal motion of
1322 subatomic particles becomes so rapid that its velocity is
1323 comparable to the speed of light. Early enough in the
1324 history of the universe, when these temperatures existed,
1325 Newtonian physics becomes less accurate, and we must
1326 describe nature using the more general description given by
1327 Einstein's theory of relativity, which encompasses Newtonian
1328 physics as a special case. At even higher temperatures,
1329 beyond about $10^{33}$ degrees, physicists know that
1330 Einstein's theory as well begins to fall apart, but we don't
1331 know how to construct the even more general theory of nature
1332 that would work at those temperatures. No matter how far
1333 physics progresses, we will never be able to describe nature
1334 at infinitely high temperatures, since there is a limit to
1335 the temperatures we can explore by experiment and observation
1336 in order to guide us to the right theory. We are confident
1337 that we understand the basic physics involved in the
1338 evolution of the universe starting a few minutes after the
1339 Big Bang, and we may be able to push back to milliseconds or
1340 microseconds after it, but we cannot use the methods of
1341 science to deal with the beginning of time itself.
1343 \pagebreak
1345 \startdqs
1347 <% marg(40) %>
1349   fig(
1350     'shock-wave',
1351     %q{%
1352       Shock waves from by the X-15
1353       rocket plane, flying at 3.5 times the speed of sound.
1354     }
1355   )
1357 \spacebetweenfigs
1359   fig(
1360     'sonic-boom',
1361     %q{%
1362       As in figure \figref{shock-wave}, this plane shows a shock wave. The
1363       sudden decompression of the air causes water droplets to
1364       condense, forming a cloud.
1365     }
1366   )
1369 <% end_marg %>
1371 \begin{dq}\label{dq:sonic-boom}
1372 If an airplane travels at exactly the speed of sound,
1373 what would be the wavelength of the forward-emitted part of
1374 the sound waves it emitted? How should this be interpreted,
1375 and what would actually happen? What happens if it's going
1376 faster than the speed of sound? Can you use this to explain what
1377 you see in figure \figref{shock-wave}?
1378 \end{dq}
1380 \begin{dq}
1381 If bullets go slower than the speed of sound, why can a
1382 supersonic fighter plane catch up to its own sound, but
1383 not to its own bullets?
1384 \end{dq}
1386 \begin{dq}
1387 If someone inside a plane is talking to you, should their
1388 speech be Doppler shifted?
1389 \end{dq}
1391 \begin{dq}
1392 The plane in figure \figref{sonic-boom} was photographed when it was traveling
1393 at a speed close to the speed of sound. Comparing figures \figref{shock-wave}
1394 and \figref{sonic-boom}, how can we tell from the angles of the cones
1395 that the speed is much lower in figure \figref{sonic-boom}?
1396 \end{dq}
1398 <% end_sec() %>
1399 <% end_sec() %>\begin{summary}
1401 \begin{vocab}
1403 \vocabitem{superposition}{the adding together of waves that overlap with each other}
1405 \vocabitem{medium}{a physical substance whose vibrations constitute a wave}
1407 \vocabitem{wavelength}{the distance in space between repetitions of a periodic wave}
1409 \vocabitem{Doppler effect}{the change in a wave's frequency and
1410 wavelength due to the motion of the source or the observer or both}
1412 \end{vocab}
1414 \begin{notation}
1416 \notationitem{$\lambda$}{wavelength (Greek letter lambda)}
1418 \end{notation}
1420 \begin{summarytext}
1422 Wave motion differs in three important ways from the motion
1423 of material objects:
1425 (1) Waves obey the principle of superposition. When two
1426 waves collide, they simply add together.
1428 (2) The medium is not transported along with the wave. The
1429 motion of any given point in the medium is a vibration about
1430 its equilibrium location, not a steady forward motion.
1432 (3) The velocity of a wave depends on the medium, not on the
1433 amount of energy in the wave. (For some types of waves,
1434 notably water waves, the velocity may also depend on
1435 the shape of the wave.)
1437 Sound waves consist of increases and decreases (typically
1438 very small ones) in the density of the air. Light is a wave,
1439 but it is a vibration of electric and magnetic fields, not
1440 of any physical medium. Light can travel through a vacuum.
1442 A periodic wave is one that creates a periodic motion in a
1443 receiver as it passes it. Such a wave has a well-defined
1444 period and frequency, and it will also have a wavelength,
1445 which is the distance in space between repetitions of the
1446 wave pattern. The velocity, frequency, and wavelength of a
1447 periodic wave are related by the equation
1448 \begin{equation*}
1449                 v  =  f \lambda .
1450 \end{equation*}
1451 A wave emitted by a moving source will be shifted in
1452 wavelength and frequency. The shifted wavelength is
1453 given by the equation
1454 \begin{equation*}
1455 \lambda'    = \left(1-\frac{v_s}{v}\right)\lambda \qquad ,
1456 \end{equation*}
1457 where $v$ is the velocity of the waves and $v_s$ is the
1458 velocity of the source, taken to be positive or negative so
1459 as to produce a Doppler-lengthened wavelength if the source
1460 is receding and a Doppler-shortened one if it approaches. A
1461 similar shift occurs if the observer is moving, and in
1462 general the Doppler shift depends approximately only on the
1463 relative motion of the source and observer if their
1464 velocities are both small compared to the waves' velocity.
1465 (This is not just approximately but exactly true for light
1466 waves, and as required by Einstein's
1467 Theory of Relativity.)
1469 \end{summarytext}
1471 \end{summary}
1473 <% begin_hw_sec %>
1475 <% begin_hw('alterations') %>__incl(hw/alterations)<% end_hw() %>
1477 <% marg(0) %>
1479   fig(
1480     'hw-water-wave-pulse',
1481     %q{Problem \ref{hw:waterpulse}.}
1482   )
1485 <% end_marg %>
1486 <% begin_hw('waterpulse') %>__incl(hw/waterpulse)<% end_hw() %>
1488 \pagebreak
1490 <% marg(0) %>
1492   fig(
1493     'hw-sine-single-period',
1494     %q{Problem \ref{hw:stringkinematics}.}
1495   )
1498 <% end_marg %>
1499 <% begin_hw('stringkinematics') %>__incl(hw/stringkinematics)<% end_hw() %>
1501 <% begin_hw('dopplerf') %>__incl(hw/dopplerf)<% end_hw() %>
1503 <% begin_hw('superpositionexperiment') %>__incl(hw/superpositionexperiment)<% end_hw() %>
1505 <% begin_hw('middlec') %>
1506  The musical note middle C has a frequency of 262 Hz.
1507 What are its period and wavelength?\answercheck
1508 <% end_hw() %>
1510 <% begin_hw('dopplersing') %>__incl(hw/dopplersing)<% end_hw() %>
1512 <% begin_hw('soundtemp') %>__incl(hw/soundtemp)<% end_hw() %>
1514 <% end_hw_sec %>
1515 <% end_chapter() %>