Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Рис. 6.33 / Задача 6.90.Человек-невидимка, отдыхающий в своем любимом кресле.

ОТВЕТ •Конечно, невидимым человек быть не может. Даже если бы он был совершенно прозрачным (как тонкое стекло), искривленные части его тела действовали бы как сложные линзы. Если бы такой человек шел впереди вас, вы бы видели происходящее вокруг вас в искаженном виде. Кроме того, от его поверхности, как от поверхности ледяной скульптуры, отражался бы свет. Чтобы избежать искажений и отражений, оптические характеристики такого человека должны быть такими же, как у воздуха. Это значит, что сам человек должен был бы состоять из воздуха, а это требование невыполнимо.

Чтобы человек-невидимка мог видеть, ему необходимо фокусировать свет, а затем частично поглощать его. Поскольку хрусталик глаза должен фокусировать свет, его оптические свойства должны отличаться от оптических свойств воздуха. Поскольку сетчатка глаза должна поглощать свет, по крайней мере, она должна быть не совсем прозрачной. И то и другое вы бы заметили, посмотрев человеку-невидимке в глаза. Допустим, однако, что он фокусирует свет очень маленькими непрозрачными пятнами (см. о камере пинспек в задаче 6.102). Тогда он имеет шанс остаться незамеченным.

Когда видимый свет падает на тело человека и проходит через его кожу, он рассеивается на коллагеновых волокнах, мембранах и пр., то есть там, где на пути света меняются оптические свойства среды. Рассеяние важно, поскольку изменение оптических свойств происходит на расстояниях, превышающих длину волны света. Любое изображение, передаваемое через кожу, в результате рассеяния так зашумлено, что человек непрозрачен для видимого света. Впрочем, существуют методы компьютерного анализа, позволяющие уменьшить этот шум, так что передача изображения через ткани человеческого тела становится частично возможной.

Роговица и хрусталик человеческого глаза прозрачны для видимого света, несмотря на наличие коллагеновых волокон в роговой оболочке и белков-кристаллинов в хрусталике. Дело в том, что коллагеновые волокна и полипептидные молекулы кристаллинов плотно упакованы в структуры с так называемым ближним порядком . Это означает, что в небольшой области (несколько диаметров волокон) ориентация волокон или пептидов одинакова. Плотная упаковка означает, что изменение оптических свойств происходит на расстояниях меньше длины волны света. В результате преобладает рассеяние вперед, то есть в направлении сетчатки. Таким образом, свет может доставлять информацию об изображении через глаз к сетчатке, воспринимающей свет, а затем начинается распознавание изображения.

Некоторые морские животные используют отражение света, чтобы стать менее заметными. При этом видны не столько животные, сколько океан вокруг них. Отражения маскируют глаза животного, так что оно становится неузнаваемым для хищника. Те же отражения маскируют кишечник животного, непрозрачный из-за пищи внутри него. До сих пор не слишком ясно, с чем связана прозрачность этих морских существ, но наверняка она связана с минимизацией различий в оптических свойствах биологических структур, что позволяет уменьшить рассеяние света. Неизбежные различия в оптических свойствах существуют на расстояниях меньше длины волны света, поэтому свет всегда рассеивается вперед, как будто никаких различий вовсе нет. Существуют животные, прозрачность которых объяснить совсем просто: они способны так сильно уплощаться, что рассеяние внутри них вообще не играет роли.

На Гавайях светящаяся каракатица Euprymna scolopes прячется, используя уникальные белки в уложенных в стопки пластинках-рефлекторах. Эти пластинки ведут себя как отражающие свет тонкие мембраны, подобно тому, как отражают свет несколько параллельных мыльных пленок. Интересно, что свет производит особая бактерия, живущая в световом органе на нижней стороне тела каракатицы. Когда каракатица освещена — на нее падает, скажем, лунный свет, — ей, чтобы остаться незамеченной, желательно не отбрасывать тень на дно. Для этого каракатица создает поток кислорода в направлении бактерий, которые «включаются» и начинают излучать свет. Затем пластинки отражают этот свет в область тени, устраняя ее.

[79]

Если в реактивном самолете вы сидите у окна либо над крылом, либо около его задней кромки, обратите внимание на прямую дорогу, проносящуюся мимо передней кромки крыла. Часто кажется, что ближайший к крылу участок дороги изгибается (рис. 6.34a), а излом вместе с самолетом движется вдоль дороги. В чем причина появления такого излома?

Рис. 6.34 / Задача 6.91.a) Дорога, какой ее видит наблюдатель. б) Луч света, проходящий мимо крыла (вид сбоку).

ОТВЕТ •Лучи, идущие от основного участка дороги к наблюдателю, распространяются по прямой, так что он видит истинную ее форму. Однако свет, идущий от участка, который виден совсем рядом с передней кромкой крыла, проходит через область, где рассекающее воздух крыло существенно меняет плотность воздуха. Световые лучи, идущие через область с переменной плотностью, меняют направление и загибаются вверх (рис. 6.34б). Когда глаз воспринимает эти лучи, возникает ощущение, что их источник располагается ниже, чем он есть на самом деле. Изгиб — точка, разделяющая лучи, на которые влияют изменения плотности воздуха, и те, на которые изменения плотности не влияют.

Некоторые садоводы утверждают, что газоны или кустарники не следует поливать при ярком солнце, поскольку капли воды на стеблях и листьях фокусируют солнечный свет, который может листья сжечь. Справедливо ли это утверждение?

ОТВЕТ •Никто из ученых не наблюдал повреждения листьев при таком поливе. Наоборот, сообщалось, что на самом деле вода охлаждает листья, в том числе и из-за испарения. Расчеты показывают, что фокусировка солнечного света и связанный с этим нагрев существенны, только если капли воды на листьях имеют форму идеальных шариков. Но по листьям большинства растений вода растекается (говорят, что вода смачивает листья). Правда, есть растения, например лотос, листья которых имеют специфическую микроструктуру (например, волоски), благодаря которой капли воды превращаются в почти идеальные сферы. Таким растениям на прямом солнце может угрожать перегрев, но даже такие почти сферические капли просто скатываются с их листьев.