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

Свет — это форма энергии, и, поскольку он с легкостью может переходить в другие виды энергии, его нельзя уничтожить. Кажется, что при поглощении непрозрачной материей (или толстым слоем прозрачной материи) он уничтожается, но на самом деле он переходит в тепло.

Утверждение о том, что свет всегда движется по прямой, совершенно верно только в одном случае: когда свет движется в однородной среде, например в вакууме или в воздухе, обладающем по всей своей протяженности одинаковой температурой и плотностью. Если же в среде происходят изменения, например когда свет в воздухе натыкается на непрозрачное тело, правило о прямолинейном распространении теряет свою строгость. Свет, не поглощенный телом, резко меняет направление, как и бильярдный шар, ударяющийся о борт. Такой «отскок» света от непрозрачного предмета называется отражением.

Свет отражается от предмета по тем же законам, по которым бильярдный шар отскакивает от борта. Представьте себе плоскую поверхность, способную отражать свет. Линия, перпендикулярная к этой поверхности, называется нормалью (от латинского названия плотницкого уголка, который использовали для того, чтобы рисовать перпендикуляры) [80] На самом деле слово «нормально» стало нам настолько знакомо своим значением естественности, распространенности, сообразности, что его первоначальное значение «строго перпендикулярный к плоскости или другой линии» уже почти забыто. . Луч света, движущийся по нормали, ударяется в отражающую поверхность под прямым углом и отлетает назад по своей же траектории. Так же поведет себя и летящий на скорости бильярдный шар.

Если луч света движется под углом по отношению к поверхности, то и к нормали он придется под углом. Луч света, движущийся к поверхности, называется падающим лучом, а его угол к нормали называется углом падения. Отраженный луч пойдет обратно с другой стороны нормали, под новым углом к ней, под углом отражения. Падающий луч, отраженный луч и нормаль находятся в одной плоскости, то есть можно положить плоский лист таким образом, чтобы по нему проходили все три линии.

Эксперименты с лучами света и отражающими поверхностями в запыленном воздухе, в котором лучи света становятся видимыми, показывают, что угол падения (i) всегда равен углу отражения (r). Это может быть выражено просто:

Фактически найти действительно ровную поверхность трудно. Большинство поверхностей имеют крошечные неровности, даже если кажутся плоскими. Пучок света, состоящий из параллельных лучей, не даст одного и того же угла падения. Один луч коснется поверхности под углом падения 0°, другой упадет рядом, тем не менее поверхность в этом месте может быть искривлена на 10° по отношению к свету; он отразится под углом 10° в другом направлении, что в сумме даст 20°, и т. д. В результате пучок падающих лучей будет разбит отражением, и отраженные лучи разойдутся во все стороны по широкой дуге. Это будет рассеянное отражение.

Почти все отражения, с которыми мы сталкиваемся, принадлежат к этому виду. Поверхности, которые рассеянно отражают свет, хорошо видны под разными углами, поскольку под любым углом от предмета к глазу движется множество лучей света.

Если поверхность достаточно плоская, то большая часть параллельных падающих лучей будет отражена под тем же углом. В таком случае, хотя вы и можете видеть предмет с разных углов, вы можете видеть гораздо больше света, если сориентируете себя под правильным углом, чтобы получить основную порцию отражения. Тогда вы получите «первый план».

Если поверхность чрезвычайно плоская, почти все параллельные лучи из падающего пучка отразятся также параллельно. В результате ваши глаза воспримут отраженный пучок света так же, как восприняли бы и его падающий оригинал.

Например, лучи света, рассеянно отраженные от лица человека, дают набор информации, который глаза воспринимают, а мозг интерпретирует как лицо человека. Если эти лучи попадают на чрезвычайно плоскую поверхность и отражаются без общего искажения, вы все еще будете воспринимать этот свет как описывающий лицо человека.

Однако ваши глаза не могут рассказать историю света, который на них попадает, не могут они без дополнительной информации и различить, отражен свет или нет. Поскольку вы с детства привыкли считать свет движущимся по прямой, вы и в этом случае будете рассуждать так же.

Лицо человека, видимое в отражении, воспринимается так, как если бы вы находились позади отражающей поверхности, где были бы эти лучи, если бы они попали на ваши глаза без вмешательства зеркала.

Лицо, которое вы видите в зеркале, — это изображение. Так как его на самом деле нет там, где оно должно было бы быть (вы посмотрели за зеркало и ничего там не обнаружили), то это мнимое изображение (владеющее свойствами объекта при отсутствии самого объекта). Однако оно находится на таком же расстоянии «за» зеркалом, на каком объект находится перед ним, и представляется того же размера, что и сам объект.

В первобытные времена единственной поверхностью, достаточно плоской, чтобы создавать отражение, была вода. Такие отражения несовершенны, потому что вода редко бывает совершенно гладкой, и, даже когда она таковой является, слишком много света пропускается водой и слишком мало отражается, поэтому изображение тусклое и смутное. В таких условиях первобытный человек мог и не разобрать, кто это на него смотрит. (Вспомните греческий миф о Нарциссе, который безнадежно влюбился в собственное отражение в воде и утонул, стремясь соединиться с ним.)

Отполированная металлическая поверхность отражает гораздо больше света, и именно металлические поверхности использовались в древние времена и в Средневековье в качестве зеркал. Однако такие поверхности легко царапаются и портятся. Веке в XVII распространилось сочетание стекла с металлом. Тонкий слой металла накладывался на плоское стекло. Если посмотреть со стороны стекла, можно увидеть яркое отражение от металлической поверхности другой стороны. Стекло предохраняло металл от повреждений. Все это получило название зеркало (в английском — mirror, от латинского слова, означавшего «смотреть с изумлением», что вполне точно описывало чувства, возникавшие у наших предков при лицезрении собственного изображения). Сохранное отражение от чрезвычайно плоской поверхности называется зеркальным отражением. Изображение, которое отражается в зеркале, не полностью совпадает с отражаемым объектом.