Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Причина, по которой мы обычно не видим конца радуги, соприкасающегося с землей, не в том, что радуг на самом деле не существует, а в том, что их концы находятся слишком далеко от нас, или скрыты зданиями, деревьями или горами, или в этих местах в воздухе меньше капель и радуга там слишком блеклая. Но если вы сможете подойти к радуге достаточно близко, то у вас получится даже прикоснуться к ней. Во всяком случае, вы наверняка сумеете проделать это с радугой, которую создадите сами с помощью садового шланга.

Мне даже доводилось держать радугу в руке, принимая душ. В один поистине прекрасный день я обнаружил радуги совершенно случайно. Повернувшись к разбрызгивателю душа, я вдруг увидел две (да-да, две!) яркие первичные радуги, каждая сантиметров тридцать длиной и пару сантиметров в ширину. Это было настолько захватывающе и красиво, что казалось похожим на сон. Я протянул руки и взял радуги в ладони. Непередаваемое ощущение! Я читал лекции о радугах в течение сорока лет, но никогда прежде не видел двух первичных радуг на расстоянии вытянутой руки.

Вот как это произошло. Лучик солнечного света проник в душ через окно ванной комнаты. В некотором смысле все было так, как если бы я стоял не перед фонтаном, а внутри него. Вода находилась очень близко от меня, а поскольку мои глаза расположены сантиметрах в семи друг от друга, каждый глаз имеет собственную воображаемую линию, отличную от этой линии для второго глаза. Углы оказались точно такими, как надо для радуги, количество воды тоже, и каждый мой глаз увидел свою первичную радугу. Когда я закрывал один глаз, одна из радуг исчезала; когда закрывал другой, исчезала вторая. Мне бы очень хотелось сфотографировать это удивительное зрелище, но я не мог, потому что у моего фотоаппарата всего один «глаз».

Побывав в тот день так близко к радугам, я по-новому взглянул на их реалистичность. Когда я двигал головой, радуги тоже двигались, но пока моя голова оставалась на месте, они тоже были неподвижны.

Теперь я специально подгадываю время утреннего душа так, чтобы поймать эти радуги. Солнце должно находиться в небе в конкретном месте, чтобы заглядывать в окно ванной комнаты под прямым углом, а это бывает только в период с середины мая до середины июля. Вы, наверное, знаете, что в определенные месяцы солнце встает раньше и поднимается в небе выше и что в Северном полушарии оно в зимние месяцы встает южнее, а в летние – севернее.

Окно моей ванной комнаты выходит на юг, но с этой стороны расположен большой дом, из-за которого свет никак не может попасть в ванную строго с юга. Солнечные лучи идут примерно с юго-востока. Когда я впервые увидел радугу в душе, я принимал его очень поздно, около десяти часов. Чтобы увидеть радугу у себя в душе, вам нужно иметь в ванной комнате окно, через которое солнечный свет сможет достигать брызг воды. Фактически, если вы никогда не видите солнца, выглядывая из окна своей ванной, можете не искать радугу в душе – ее там просто не может быть. Солнечный свет должен проникать в душ. И даже если он туда попадает, никакой гарантии, что вы увидите радугу, к сожалению, нет, потому что также необходимо наличие достаточного числа капель воды, расположенных под углом 42 градуса от воображаемой линии, а это бывает не всегда.

Конечно, это довольно жесткие условия, но почему бы не попробовать? А если вы обнаружите, что солнце проникает в ваш душ довольно поздно – в конце дня, – что ж, тогда стоит подумать о смене графика водных процедур.

Решив отправиться на охоту за радугами, обязательно снимите солнцезащитные очки, особенно если они из числа тех, которые мы называем поляризованными, иначе вы рискуете пропустить все шоу. У меня однажды был подобный забавный опыт. Как я уже говорил, я люблю прогулки по пляжам острова Плам. И я уже объяснял, как можно увидеть маленькие радуги в брызгах волн. Так вот, несколько лет назад я шел вдоль пляжа. Солнце было ярким, дул сильный ветер, и когда волны подкатывали близко к берегу, они разбивались на множество мелких брызг, так что я часто видел в них небольшие кусочки радуг. Я решил показать эту красоту другу, с которым вместе гулял, но он сказал, что ничего не видит и даже не понимает, что я имею в виду. Этот диалог повторился несколько раз. «Да вон же она!» – кричал я, все больше раздражаясь. «Я ничего не вижу!» – орал он в ответ. И тут меня осенило: я попросил его снять темные очки, конечно же, поляризованные. Без очков он сразу увидел радуги и даже начал показывать их мне! Так что же произошло?

Радуги в некотором роде странны по своей природе, поскольку почти весь их свет поляризован. Термин «поляризованный», скорее всего, известен вам именно из описания солнцезащитных очков. С технической точки зрения он не совсем корректен, но позвольте мне объяснить суть поляризованного света, а потом мы вернемся к темным очкам и радугам.

Волны получаются в результате колебаний «чего-либо». Вибрирующий камертон или скрипичная струна издает звуковые волны, о которых мы поговорим в следующей главе. Световые волны создаются вибрирующими электронами. Далее, если вибрации имеют одно и то же направление и перпендикулярны направлению распространения волны, мы называем такие волны линейно-поляризованными. Для простоты обсуждения я, рассказывая в этой главе о поляризованном свете данного вида, буду называть его просто «поляризованным».

Звуковые волны никогда не бывают поляризованными, потому что они всегда распространяются в том же направлении, что и колеблющиеся молекулы воздуха в волнах давления – наподобие волн, генерируемых игрушкой-пружинкой Slinky. А вот свет может быть поляризованным. Солнечный свет или свет от лампочки в вашем доме не поляризован, но мы можем без особого труда преобразовать его в поляризованный. Один из способов сделать это – купить так называемые поляризованные солнцезащитные очки. Теперь вы знаете, почему это название не совсем корректно. На самом деле это поляризующие солнечные очки. Другой способ – приобрести оптический линейный поляризатор (изобретенный Эдвардом Лендом, основателем Polaroid Corporation) и взглянуть на мир через него. Поляризаторы Ленда, как правило, толщиной в один миллиметр, бывают самых разных размеров. Почти весь свет, проходящий через них (в том числе через поляризующие очки), становится поляризованным.

Если поставить два прямоугольных поляризатора один на другой (я раздаю по паре каждому студенту, чтобы он мог экспериментировать с ними дома) и повернуть под углом 90 градусов друг к другу, свет через них не будет проходить вообще.

Впрочем, природа производит много поляризованного света и без помощи поляризаторов Ленда. Свет от голубого неба, идущий под углом 90 градусов к солнцу, почти полностью поляризован. Откуда мы это знаем? А попробуйте посмотреть на голубое небо (в любом месте под углом 90 градусов к солнцу) через линейный поляризатор, медленно вращая его. Вы заметите, что яркость неба меняется. Когда небо становится почти совсем темным, свет, поступающий от той части неба, практически полностью поляризован. Таким образом, чтобы распознать поляризованный свет, достаточно одного поляризатора (но все гораздо интереснее, если у вас их два).