Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Допустим, мы используем квадратный фут как единицу площади поверхности и представим, что квадратный фут искривлен так, что он стал частью сферической поверхности таким образом, что все ее точки равноудалены от расположенного в центре сферы источника света. Если наш квадратный фут находится на расстоянии одного фута от источника света, производящего одну канделу света, то сила света, получаемого поверхностью, — 1 фут-кандела. Если поверхность перемещается на расстояние двух футов, то интенсивность его освещения — ¼ фут-канделы и т. д.

Поскольку освещенность определяется как количество света на единицу площади, мы можем также выражать его в количестве кандел на квадратный фут. Однако для этих целей обычно используется другая единица измерения — люмен (от латинского слова, означающего «свет»). Так, если один квадратный фут на определенной дистанции от источника света получает 1 люмен, то два квадратных фута получают 2 люмена света, а половина квадратного фута получает ½ люмена. Однако во всех случаях освещенность остается 1 люмен/кв. фут. Итак, люмен определяется таким образом, что освещенность в 1 люмен/кв. фут равняется 1 фут-канделе.

Представьте себе источник света в 1 канделу в центре пустой сферы с радиусом в один фут. Освещенность на каждом участке внутренней поверхности сферы — 1 фут-кандела, или 1 люмен/фут 2. Таким образом, каждый квадратный фут внутренней поверхности получает 1 люмен освещения. Площадь поверхности сферы равна 4πr 2 кв. фут. Поскольку r, радиус сферы, равняется в нашем случае 1 футу, то количество квадратных футов площади поверхности нашей сферы равняется 4π. Значение π (греч. «пи») примерно равно 3,14, поэтому можно сказать, что площадь этой сферы — около 12,56 кв. фут. Сила света (которая в нашем случае равна 1 канделе), таким образом, доставляет 12,56 люмена, поэтому мы можем сказать, что одна кандела равна 12,56 люмена.

Свет распространяется полностью и беспрепятственно только в вакууме. Все виды материи в той или иной степени поглощают свет. Большинство видов материи делают это в такой степени, что поглощают весь падающий на них свет и являются светопоглощающими.

Если светопоглощающий предмет поставлен между источником света и освещаемой поверхностью, свет будет проходить вокруг предмета, но не сквозь него. Со стороны объекта, противоположной источнику света, таким образом, появится темное пространство, именуемое тенью. Там, где это пространство попадет на освещаемую поверхность, будет неосвещенный участок; это двухмерная проекция тени, которую мы обычно этим словом и называем.

Луна отбрасывает тень. Половина ее поверхности подставлена прямым лучам солнца; другая половина расположена таким образом, что светонепроницаемое вещество самой Луны закрывает Солнце. Мы видим только освещенную сторону Луны, и поскольку эта освещенная сторона повернута к нам углом, который изменяется от 0 до 360° на протяжении календарного месяца, то мы и видим, как Луна проходит все фазы своего цикла.

Далее, лунная тень падает не только на собственную поверхность Луны, но и дальше распространяется в пространство на двести тысяч миль. Если бы Солнце было точечным источником света, то есть весь свет исходил бы из одной точки в центре Солнца, — то эта тень тянулась бы бесконечно.

Однако Солнце излучает свет по всей своей поверхности, и чем дальше предмет находится от Луны, тем меньше ее видимые размеры, пока наконец она не станет такой маленькой, что уже не сможет полностью закрывать Солнце, которое гораздо больше ее. С этого момента Луна уже не отбрасывает полную тень, а полная тень, или убмра (от латинского umbra — тень), уменьшается до точки. Однако умбра тянется достаточно далеко, чтобы достигнуть поверхности Земли, и иногда, когда Луна оказывается точно между Землей и Солнцем, случается солнечное затмение на небольшом участке земной поверхности.

Земля тоже отбрасывает тень, и половина ее поверхности находится в этой тени. Земля оборачивается вокруг собственной оси за двадцать четыре часа, и каждый из нас переживает эту тень (ночь) каждые сутки. (Это не совсем верно для полярных областей по причинам, которые лучше описаны в учебнике астрономии.) Луна может попадать в земную тень, которая гораздо длиннее и шире, чем тень от Луны, и тогда мы можем наблюдать лунное затмение.

Светонепроницаемая материя не абсолютно непроницаема. Если она становится достаточно тонкой, немного света может пройти сквозь нее. Например, свет может проходить сквозь тонкий золотой лист, хотя само по себе золото светонепроницаемо.

Некоторые виды материи поглощают так мало света (на единицу толщины), что с той толщиной, с которой мы их встречаем в повседневной жизни, не особенно влияют на прохождение сквозь них света. Такие формы материи называются прозрачными. Лучшим примером прозрачной материи является воздух. Он так прозрачен, что мы редко осознаем его присутствие, поскольку мы видим предметы сквозь него так, как будто никакого препятствия и нет. Почти все газы прозрачны. Множество жидкостей, например вода, тоже прозрачны.

А вот среди твердых видов материи прозрачность — исключение. Одной из редких естественных субстанций, прозрачных в твердом виде, является кварц, и изумленные греки считали его формой теплого льда. Само слово «кристалл», впервые примененное к кварцу, происходит от греческого «лед», а слово «кристальный» одним из своих значений имеет «прозрачный».

Прозрачность становится тем менее выраженной, чем толще становятся слои обычно прозрачных веществ. Небольшое количество воды явно прозрачно, и камни на дне чистого пруда четко видны. Однако когда ныряльщик погружается в воду моря, достигающий его свет становится все слабее и слабее, а на глубине 450 футов свет почти уже не проникает вглубь. Слои воды большей толщины так же непрозрачны, как и слои камня такой же толщины, и морское дно уже невозможно увидеть сквозь покрывающую его «прозрачную» воду.

Воздух поглощает свет еще меньше, чем вода, соответственно он менее прозрачен. Несмотря на то что мы находимся на дне воздушного океана глубиной во много миль, свет беспрепятственно достигает нас, а мы беспрепятственно можем наблюдать куда более слабый свет звезд [79] Строго говоря, если бы атмосфера была сжата до плотности воды, ее высота составляла бы всего 33 фута; слой воды такой толщины в значительной мере сохранит прозрачность. .

Тем не менее некоторое поглощение все же присутствует: подсчитано, что 30 процентов света, достигающего Земли из космоса, поглощается атмосферой. (Некоторые виды радиоактивного излучения, отличные от видимого света, поглощаются атмосферой с куда большей эффективностью, и толщины покрывающего нас воздуха достаточно, чтобы в данном случае он оказался непрозрачным для этих излучений.)