Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

В 1818 году Огюстен Жан Френель представил на рассмотрение Французской академии свою волновую теорию света. Симеон Дени Пуассон, резко выступивший против этой теории, попытался доказать ее несостоятельность с помощью следующего мысленного эксперимента. Предположим, что на непрозрачный предмет с круговым поперечным сечением (таким как монета или шар) падает луч света. Согласно теории Френеля, в центре области тени на экране позади этого предмета должно появиться яркое пятно.

Несмотря на абсурдность подобного предположения, другой член академии Доминик Франсуа Жан Араго решил поставить эксперимент. Ко всеобщему удивлению, яркое пятно в центре тени он обнаружил. По странной прихоти истории это пятно называют пятном Пуассона (реже Араго — Пуассона), хотя ни Араго, ни Пуассон в его существование не верили.

Со времен этого открытия некоторые ученые использовали непрозрачные предметы, такие как маленькие шарики из подшипников, в качестве линз для создания изображений. Так же как с помощью фотоаппарата, они позволяют получить изображение на фотопленке. Как образуется пятно Араго — Пуассона и как непрозрачный шарик способен фокусировать свет для создания изображения?

ОТВЕТ •Предположим, что с помощью непрозрачного шарика надо создать изображение расположенного на расстоянии от него яркого точечного источника света. Достигнув шара, световые волны дифрагируют у его краев, расходясь по радиусам как вовне, так и внутрь области тени шарика. Если за шариком на достаточно большом расстоянии от него поместить экран, образуется небольшая дифракционная картина, состоящая из ярких и темных концентрических колец с яркой точкой в центре. Это связано с тем, что волны, пришедшие сюда с одной стороны шарика, проходят точно такое же расстояние до центра тени, как и волны, пришедшие с противоположной стороны. Следовательно, такие волны имеют одинаковую фазу и происходит их конструктивная интерференция.

Первое темное кольцо — результат деструктивной интерференции. Рассмотрим верхнюю точку кольца. Волны, распространяющиеся от нижней точки шарика, проходят более длинный путь, чем волны, идущие от его верхней точки. Лишнее расстояние равно половине длины волны, и поэтому интерференция таких волн на экране деструктивная.

Остальная дифракционная картина — тоже результат конструктивной или деструктивной интерференции волн. В некоторых местах экрана волны, идущие от противоположных сторон шарика, проходят путь, длина которого пропорциональна целому числу длин волн. Такие волны доходят до экрана в фазе, и их интерференция конструктивная. В других местах разница пройденных расстояний равна нечетному числу половин длины волны. Такие волны доходят до экрана в противофазе, и их интерференция деструктивная.

Когда с помощью шарика получают изображение предмета, каждая его точка может рассматриваться как точечный источник света. Такой источник создает свою дифракционную картину с яркой точкой в центре. Совокупность этих ярких точек приближенно передает форму предмета, и таким образом получается его изображение.

Сверните лист блестящей алюминиевой фольги или алюминированной пленки так, чтобы получилась часть боковой поверхности цилиндра. Не выпуская пленку из рук, поверните это кривое зеркало так, чтобы длинная ось цилиндра заняла горизонтальное положение, и посмотрите внутрь цилиндра. Подберите кривизну зеркала и расстояние от глаз до его поверхности так, чтобы ваше изображение оказалось перевернутым (тогда вы будете находиться дальше от зеркала, чем его фокальная точка). Поверните цилиндр на 90° так, чтобы его ось заняла вертикальное положение. Теперь ваше изображение будет прямым, а не перевернутым, и оно как будто повернулось на 180°. Почему угол поворота изображения в два раза больше угла поворота цилиндра?

ОТВЕТ •Цилиндрическое зеркало производит преобразование изображения только в одной плоскости, а именно в той, в которой оно изогнуто (так называемая цилиндрическая оптика, в отличие от обычной, сферической). В другой плоскости оно действует просто как обычное плоское зеркало. Когда вы поворачиваете цилиндрическое зеркало на 90°, «инвертируемой» становится та ваша ось, которая ранее не инвертировалась вообще, и при этом она инвертируется, то есть визуально поворачивается на 180°.

Почему дым, поднимающийся от горящего конца сигареты, имеет голубоватый оттенок, а курильщик выдыхает белый дым?

ОТВЕТ •Поднимающиеся от горящего конца сигареты частицы дыма имеют достаточно малый размер, и поэтому в направлении наблюдателя они интенсивнее рассеивают голубые лучи света в комнате. Когда курильщик вдыхает дым, размер этих частиц увеличивается за счет конденсации на них воды. Следовательно, частицы в дыме, который выдыхает курильщик, рассеивают лучи всех цветов видимого спектра, и поэтому дым становится белым. Впрочем, с точки зрения содержания всякой гадости это не имеет большого значения.

Предел зрения человека — синий конец видимого спектра. В какой-то мере это связано с тем, что световые волны с более короткими длинами лучше поглощаются роговицей и хрусталиком глаза. Если человеку удалили катаракту и вставили искусственный хрусталик, возможно, он сможет воспринимать свет с более короткими длинами волн из ультрафиолетового диапазона. Предположим, что вы видите только в ультрафиолетовом диапазоне. Изменится ли мир вокруг вас?

ОТВЕТ •Поскольку оконные стекла и стекла уличных фонарей поглощают ультрафиолет, свет от этих привычных источников вы не увидите, и города будут казаться темными даже при включенном освещении. По тем же причинам, надев очки для коррекции зрения, вы увидите мир таким, как в обычных темных солнцезащитных очках: тени станут нечеткими, и, поскольку молекулы воздуха рассеивают ультрафиолетовый свет лучше, чем видимый, даже ясным днем вдаль вы будете видеть плохо. Поэтому отдаленные предметы вы увидите как бы в тумане, а из-за рассеяния света в атмосфере заметить тень вам будет трудно. С другой стороны, вы увидите другую, более яркую и разнообразную окраску некоторых видов птиц и различия в цвете красок, которые вне ультрафиолета казались вам одинаковыми.

Пусть луч лазера направлен на маленькое отверстие в форме буквы. Вы сможете предсказать, как будет выглядеть дифракционная картина? Или если вам покажут фотографию этой дифракционной картины, можете ли вы сказать, в форме какой буквы было отверстие? Если есть лазер, можно попробовать написать шифрованную записку, заменив буквы на дифракционные картинки. Удастся ли ее прочесть?