Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Сейчас методы эзофагоскопического исследования хорошо разработаны, но начиналось все несколько странно. В примитивном эндоскопе для исследования нижних отделов толстой кишки использовалась прямая трубка, а в качестве источника света — свеча [78]. Прямая трубка входила в состав и первых эзофагоскопов, однако она была слишком короткой и не достигала желудка. Однако врач, начавший первым работать с эзофагоскопами, нашел способ удлинить трубку. Он привлек к работе фокусника, демонстрировавшего цирковой трюк «глотание шпаги». Исполнители этого трюка умеют, откинув голову назад и расслабив мускулы вдоль пищевода, выпрямить пищевод — канал, соединяющий глотку с желудком. Введя в выпрямленный пищевод трубку и направив свет в ее свободный конец, врач увидел полость пищевода, положив начало современной эзофагоскопии.

Если держать полоску прозрачной пластиковой ленты непосредственно над напечатанным текстом, он хорошо виден. Но почему, если подвинуть ленту к себе так, что расстояние до текста будет больше чем полсантиметра, текст уже не виден? Почему принимающего душ человека можно четко разглядеть через покрытую ледяным узором (рельефную) дверцу кабинки, только если он стоит к ней очень близко (рис. 6.32a)?

Рис. 6.32 / Задача 6.88.a) Купающийся человек виден, только если он стоит рядом с покрытой ледяным узором дверцей кабинки. б) Рассеяние света на неоднородностях.

В некоторых музеях изобразительных искусств при демонстрации картин используется аналогичный оптический эффект. Картины предохраняет стекло или прозрачный пластик, но, если это простое оконное стекло, разглядеть картину трудно из-за мешающих отражений в стекле выставочного зала. Чтобы не отвлекать внимание посетителей музея, стекло делают слегка шероховатым. Почему шероховатость скрывает отражения зала, не искажая изображение на картине?

ОТВЕТ •Если смотреть, например, на каплю через обычное оконное стекло, глаз воспринимает какую-то часть исходящих от капли световых лучей, а мозг интерпретирует их, автоматически продолжая эти лучи обратно и создавая образ капли. Мы видим ясный и четкий образ капли, поскольку воспринимаем лучи, исходящие из очень маленькой области на стекле вдоль линии взора — условной линии, соединяющей точку фиксации взгляда со зрачком.

Если стекло заменить плоским листом пластика, каждый луч, проходящий через пластик, рассеивается на имеющихся в нем неоднородностях и превращается в расходящийся пучок лучей (рис. 6.32б). Теперь глаз воспринимает не только те лучи от капли, которые направлены вдоль линии взора, но и те, которые рассеялись на неоднородностях пластика. Однако мозг по-прежнему меняет на обратное направление всех воспринимаемых лучей, пытаясь выявить, где находится их источник. Если поместить лист пластика близко к капле, пучок лучей, прошедших через пластик, узкий, и образ капли остается четким и ясным. Но если увеличить расстояние от пластика до капли, увеличивается как угловая расходимость пучка лучей, так и область на пластике, световые лучи от которой воспринимает глаз. При этом создается нечеткий образ капли.

Если смотреть через пластиковую ленту на страницу с текстом, прочесть его можно будет, только если удастся различить буквы. Если эта лента находится на расстоянии, превышающем полсантиметра от текста, размытые изображения букв перекрываются настолько, что отличить одну от другой не удается.

Так же обстоит дело и с человеком, принимающим душ за рельефной дверцей кабинки, и с защитным покрытием для картин. В музее посетители, стараясь рассмотреть детали, обычно подходят к картине близко, а предметы в зале находятся достаточно далеко от нее. Поэтому при шероховатом стекле на отражениях предметов, находящихся в зале, детали размыты и неразличимы.

Когда речь заходит о дверях душевых кабинок, часто возникает вопрос, почему из рельефного стекла делают их внешнюю поверхность. Если внутреннюю поверхность сделать рельефной, на нее будет попадать вода. Тогда вода, частично задерживаясь в бороздках и углублениях рельефной поверхности, делает ее почти гладкой, а значит, луч света не расширяется. При этом купающийся будет хорошо виден, даже если он будет стоять далеко от двери.

Фокусник заворачивает в газету пробирку, разбивает ее на мелкие кусочки молотком, а затем ссыпает осколки в прозрачный стакан с водой. Пошептав заклинания над стаканом, он призывает осколки собраться вместе и опять сложиться в пробирку. Затем фокусник опускает руку в воду, обнаруживает, что осколки выполнили в точности то, о чем он их просил, и вынимает из стакана пробирку. В чем секрет этого фокуса?

Положите в маленький стакан стеклянный прозрачный шарик и поставьте все вместе на напечатанный текст. Если посмотреть сверху вниз через шарик, текст прочесть не удастся. Как сфокусировать текст, не сдвигая стакана?

ОТВЕТ •Чтобы показать фокус с пробиркой, сначала положите пробирку в воду. Вы видите эту пробирку в воде, поскольку проходящий через воду свет либо отражается, либо преломляется пробиркой. Пробирку можно сделать невидимой, растворив в воде сахар. Когда у раствора сахара в воде и стекла, из которого сделана пробирка, будут одинаковые оптические свойства, то есть, когда сравняются их коэффициенты преломления , свет, проходящий через раствор, будет проходить через стекло, не меняя направление распространения. Значит, зрители не увидят погруженную в раствор пробирку, поскольку именно преломление света выдает ее. То же самое относится и к осколкам второй пробирки, когда вы опускаете их в раствор сахара в воде. Осталось только нащупать в стакане первую пробирку и достать ее оттуда.

Стеклянный шарик так сильно фокусирует свет, идущий от букв, что невозможно получить их четкое изображение. Чтобы сделать фокусировку более слабой, надо налить в стаканчик воды. Коэффициенты преломления воды и стекла примерно равны, поэтому свет не так сильно преломляется, переходя из одной среды в другую. Теперь глаз должным образом сфокусирует исходящие лучи, и текст можно будет разобрать.

Герберт Уэллс написал известный роман о человеке, который стал невидимым (рис. 6.33). Возможно ли это с точки зрения оптики? Будет ли человек невидим, если станет прозрачным, как тонкое стекло? Сможет ли такой человек видеть сам? Почему глаза человека прозрачные, а кожа нет? Могут ли животные быть почти прозрачными?