Глазами физика. От края радуги к границе времени - Левин Уолтер. Страница 28

Один из самых важных экспериментов во всей физике (его чаще всего называют опытом Юнга, или экспериментом на двух щелях) наглядно продемонстрировал, что свет состоит из волн. В этом знаменитом эксперименте, впервые проведенном в 1801–1803 годах, английский ученый Томас Юнг расщепил узкий луч солнечного света на два пучка и увидел на экране картинку (сумму двух пучков), которую можно было объяснить, только предположив, что свет состоит из волн. Позже данный эксперимент был проведен по-другому, с использованием двух щелей (или двух микроотверстий). Далее я буду исходить из предположения, что узкий пучок света проходит через два очень маленьких микроотверстия (расположенных близко друг к другу) в листе тонкого картона. Свет проходит через них и падает на экран. Если бы свет состоял из частиц, любая заданная частица проходила бы либо через одно отверстие, либо через другое (поскольку не могла бы пройти через оба) и, следовательно, мы видели бы на экране два ярких пятна. Однако картинка на экране иная. Она точно имитирует то, что ожидаешь увидеть, если на экране встречаются две волны – одна, прошедшая через первое микроотверстие, и одновременно вторая, идентичная первой, прошедшая через второе. Сложение этих двух волн подвержено тому, что мы называем интерференцией. Когда гребни волны из одной прорези совпадают со впадинами волн из другой, волны компенсируют друг друга и места на экране, где это происходит (их будет не одно), остаются темными. Разве это не удивительно – свет плюс свет равен тьме! И наоборот, в других местах экрана, где две волны синхронизированы друг с другом, нарастая и спадая одновременно, мы в результате видим очень яркие пятна (их тоже будет несколько). Таким образом, на экране отобразится узор, состоящий из чередующихся темных и светлых пятен, и это именно то, что увидел Юнг во время опыта с расщепленным лучом.

Я демонстрирую этот опыт на своих лекциях, используя красный и зеленый лазерные лучи. Это действительно захватывающее зрелище. Студенты видят, что узор зеленого света очень похож на узор красного, за исключением того, что деление на темные и светлые пятна у зеленого несколько мельче. Зависимость узора от цвета говорит о зависимости его от длины волны света (более подробно о длине волны мы поговорим в следующей главе).

Ученые на протяжении многих веков спорили по поводу того, состоит ли свет из частиц или из волн, и описанный выше эксперимент позволил сделать ошеломляющий и неоспоримый вывод: свет имеет волновую природу. Сегодня мы знаем, что свет может вести себя и как частица, и как волна, но этого не менее поразительного вывода научному миру пришлось ждать еще век, до появления квантовой механики. Впрочем, в данный момент в эту тему погружаться не стоит.

Лучше вернемся к дополнительным радугам. Интерференция световых волн создает темные и светлые полосы. Это явление особенно четко выражено, если диаметр капель составляет около 0,5 миллиметра. Вы можете увидеть изображение дополнительной радуги на сайте www.atoptics.co.uk/rainbows/supdrsz.htm.

Эффекты интерференции (часто называемые дифракцией) становятся еще заметнее при диаметре капель меньше 40 микрон (0,04 миллиметра). В этом случае цвета разнесены так сильно, что волны разных цветов полностью перекрываются, все цвета смешиваются и радуга становится белой. В белой радуге часто видна одна или две темные полосы (дополнительные радуги). Белые радуги очень редки, я их ни разу не видел. А вот мой ученик, Карл Уэльс, в середине 1970-х годов прислал мне фотографии нескольких красивых белых радуг. Он сделал фото в летнее время в два часа ночи (да, в два ночи) с Ледяного острова Флетчера, то есть с огромного дрейфующего айсберга (площадью 5 × 11 километров). На тот момент айсберг находился в 500 километрах от Северного полюса.

Белые радуги можно также увидеть в тумане, состоящем из исключительно крошечных капелек воды. Такие радуги трудно, но все же можно заметить; вы могли видеть их много раз, не осознавая этого. Обычно они появляются, когда туман достаточно слабый, чтобы солнечный свет мог через него просвечивать. Оказавшись на берегу реки или в гавани ранним утром, когда солнце еще совсем низко, а туман – обычное явление, я охочусь за белыми радугами в тумане и видел их не раз.

Такую радугу иногда можно создать с помощью автомобильных фар. Если вы окажетесь за рулем в ночном тумане, постарайтесь найти безопасное место для парковки. Или, если вы находитесь у себя дома, когда сгущается туман, разверните автомобиль в сторону тумана и включите фары. Затем отойдите от машины и смотрите на туман в лучах фар. Если вам повезет, вы увидите туманную радугу. Они делают мрак туманной ночи еще более жутким и потусторонним. Вы можете посмотреть, что произошло, когда один парень вдруг увидел такую радугу, которую сам же создал в фарах своего автомобиля, на сайте www.extremeinstability.com/08-9-9.htm. Заметили темные полосы в белых дугах?

Размером капель воды и волновой природой света также объясняется еще одно из красивейших оптических явлений, украшающих небо, – глории. Они лучше всего видны, когда летишь в самолете над облаками. Поверьте мне, их действительно стоит поискать. Для этого вы должны сидеть у окна не над крыльями, которые перекрывают вид вниз. Вам также надо убедиться, что солнце находится на стороне самолета, противоположной вашему месту, так что придется обратить внимание на время суток полета и направление рейса. Если из вашего окна видно солнце, эксперимент не получится. (В таком случае просто поверьте моим словам; полное и убедительное объяснение потребовало бы слишком много сложных математических выкладок.) Если все описанные выше условия соблюдены, попытайтесь вычислить место нахождения точки солнечного противостояния и смотрите вниз на нее. Если вам повезет, вы увидите в облаках цветные кольца, а если ваш самолет летит не слишком высоко над облаками, то увидите вокруг его тени глорию. Диаметр глорий варьируется от нескольких до приблизительно 20 градусов. Чем меньше капли, тем больше глории.

Я сделал множество фото глорий; на некоторых хорошо видна тень моего самолета, и, что самое забавное, мое сиденье в авиалайнере находится в самом центре глории, то есть в точке солнечного противостояния.

Впрочем, увидеть глории можно в самых разных местах, а не только из самолета. Альпинисты часто их видят, когда солнце находится у них за спиной, а они сами смотрят вниз в туманную долину. В этих случаях эффект получается довольно пугающий, мрачный и потусторонний. Альпинисты видят собственную тень, проецируемую на туман, в окружении глорий, иногда в нескольких цветных кольцах, и выглядит это весьма мистически. Данное явление также известно как призрак Броккена (или огненная радуга); оно названо так в честь высокого пика в Германии, где его видят особенно часто. На самом деле глории вокруг теней людей настолько похожи на нимбы, а сами фигуры выглядят настолько потусторонними, что вы вряд ли будете сильно удивлены, узнав, что слово glory – это архаизм, обозначающий круг света вокруг головы святого. А в Китае глории называют огнем Будды.

Однажды я сделал чудесное фото собственной тени, окруженной глорией, которое назвал образом святого Уолтера. Много лет назад я по приглашению моих друзей, астрономов из России, приехал в горы Кавказа, чтобы увидеть шестиметровый телескоп. На тот момент это был самый большой телескоп в мире. Погода для наблюдений за небом была просто ужасной. Каждый день, сколько я там пробыл, где-то в половине шестого вечера из лежащей ниже долины поднималась стена тумана, полностью окутывавшая телескоп. По-настоящему полностью; за все время моего визита мы так и не смогли произвести каких-либо наблюдений.

Как бы там ни было, через несколько дней пребывания в горах мне в голову пришла мысль, что я могу тут сделать фантастические снимки. Когда туман начинал заползать из долины, которая находилась на востоке, солнце на западе светило еще ярко – условия, идеальные для глорий. На следующий же день я принес фотоаппарат в обсерваторию и страшно нервничал, что именно в этот день туман откажется со мной сотрудничать. Однако в должное время стена тумана начала наползать, а солнце еще светило; я стоял к нему спиной. Я ждал и ждал, а потом, бум, и вокруг моей тени появился ореол. И я щелкнул. Я не мог дождаться момента, когда проявлю пленку – это была еще доцифровая эпоха, – но игра стоила свеч! Моя тень была длинной и выглядела призрачно, а тень моей камеры оказалась в самом центре колец великолепной глории.