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

Одна из сделанных мной тогда фотографий получилась так хорошо, что стала фотографией для астрономических загадок НАСА того дня; ее разместили на сайте НАСА 13 сентября 2004 года [17]. (Это кстати, потрясающий сайт; настоятельно рекомендую заходить на него каждый день по адресу: http://apod.nasa.gov/apod/astropix.html.) В результате я получил около трех тысяч вариантов отгадок относительно того, что же это такое. Мой любимый ответ – написанное от руки письмо Бенджамина Гайслера четырех лет от роду: «Я думаю, ваша загадочная фотография нарисована цветными карандашами, маркерами и мелками». Сейчас оно висит на доске объявлений у моего кабинета в МТИ. Из всех полученных мной ответов всего тридцать респондентов думали в верном направлении, но только пятеро ответили абсолютно правильно.

Отличной подсказкой к разгадке этой головоломки может служить то, что в музее в тот момент проводили капитальный ремонт. В частности, его стены обрабатывались пескоструйным аппаратом. Маркос Хэнкин, который отвечал за физические демонстрации в Массачусетском технологическом институте и с которым я сотрудничал на протяжении многих лет, сказал мне – тогда я этого не знал, – что в некоторых видах таких аппаратов используются стеклянные шарики. И во дворе музея на земле было разбросано огромное множество крошечных стеклянных бусинок. Я взял горсть домой. Так что то, что мы тогда видели, было стеклянной радугой, ставшей в настоящее время официальной категорией радуг – радуг, образованных стеклянными шариками; она имеет радиус около 28 градусов, но точное значение зависит от типа стекла бусин.

Нам с Маркосом страшно захотелось создать собственную стеклянную радугу для моих лекций. Мы купили несколько килограммов стеклянных бусин, приклеили их на большие листы черной бумаги и прикрепили бумагу к доске в аудитории. Затем, в самом конце моей лекции о радугах, мы направили луч прожектора на эту бумагу из задней части лекционного зала. И у нас получилось! Я пригласил студентов по очереди выходить в переднюю часть аудитории, вставать перед доской и отбрасывать тень прямо в середину своей собственной стеклянной радуги.

Это был потрясающий эксперимент, и вы можете попробовать провести его у себя дома, потому что создать стеклянную радугу не так уж и сложно. Все зависит от ваших целей. Если вы хотите увидеть только цвета радуги, это довольно легко. Если же хотите увидеть всю радугу целиком, окружающую, словно нимб, вашу голову, придется потрудиться.

Чтобы увидеть небольшой кусочек радуги, вам потребуется лишь кусок черного картона размером 30 квадратных сантиметров, прозрачный аэрозольный клей (мы использовали 3M’s Spray Mount Artist’s Adhesive, но подойдет любой прозрачный аэрозольный клей) и прозрачные сферические стеклянные бусины. Они обязательно должны быть прозрачными и сферической формы. Мы использовали «грубый стеклянный абразив для пескоструйной обработки» с диапазоном диаметра от 150 до 250 микрон.

Разбрызгайте клей по куску картона и посыпьте бусинами. Среднее расстояние между ними не особенно важно, но чем ближе шарики друг к другу, тем лучше. Будьте осторожны с бусинками. Возможно, стоит заняться этим во дворе, чтобы они не рассыпались по полу комнаты. Дайте клею высохнуть, дождитесь солнечного дня и выходите на улицу.

Найдите воображаемую линию (напоминаю, она идет от вашей головы до ее тени на земле). Поместите картон где-то на ней; теперь вы видите на картоне тень своей головы (если солнце в небе низко, можно поставить картон на стул, если высоко, положите картонку на землю; как вы помните, стеклянные шарики в музее Де Кордова тоже лежали на земле). Насколько далеко картон будет находиться от вашей головы, зависит от вас. Предположим, вы поместите его на расстоянии 1,2 метра. Затем сместите его примерно на 0,6 метра от воображаемой линии в направлении, перпендикулярном ей. (Двигать картонку можно в любом направлении – влево, вправо, вверх, вниз!) И увидите цвета стеклянной радуги. А если вы решили поставить картон подальше, скажем на расстоянии 1,5 метра, то, чтобы увидеть цвета радуги, надо сместить его на 0,75 метра. Возможно, у вас возник вопрос, как я получил эти цифры? Все просто: радиус стеклянной радуги составляет около 28 градусов.

После того как увидите цвета радуги, можно подв и гать картон по кругу по воображаемой линии и найти другие ее части. Так вы получите всю круговую радугу по частям – точно так же, как мы делали с помощью садового шланга.

Если же вам хочется увидеть всю радугу целиком, окружающую тень вашей головы, потребуется больший кусок черного картона – полный квадратный метр – и намного большее количество стеклянных шариков, приклеенных к нему. Встаньте так, чтобы тень головы находилась близко к центру картона. Если расстояние между вашей головой и картоном будет около 80 сантиметров, вы увидите всю стеклянную радугу полностью. Но если поставите картон слишком далеко, скажем на расстоянии 1,2 метра, то всю радугу не увидите. Так что дерзайте! Выбор за вами.

В пасмурный день можете попробовать провести эксперимент в закрытом помещении, как я на своих лекциях, то есть наведя очень сильный луч света – например, с помощью прожектора – на стену, к которой прикреплен картон с бусинами. Встаньте так, чтобы источник света находился позади вас, а тень вашей головы – в центре картонки размером квадратный метр. Встав в 80 сантиметрах от картона, вы должны увидеть радугу, окружающую вашу тень, целиком. Добро пожаловать в стеклянную радугу!

Конечно, чтобы оценить красоту радуги или другого атмосферного явления, необязательно понимать, как она создается, но знание физической природы радуг позволяет взглянуть на них по-новому (я называю это красотой знаний). Мы становимся более внимательными к этим чудесам природы и в один прекрасный день встречаем их в саду туманным утром, моясь в душе, прогуливаясь у фонтана или выглядывая из иллюминатора самолета, когда остальные пассажиры смотрят фильм. Я надеюсь, что в следующий раз, почувствовав зарождение радуги, вы повернетесь спиной к солнцу, посмотрите под углом приблизительно 42 градуса от воображаемой линии и увидите на небе красный верхний обод прекрасной радуги.

И вот вам мой прогноз. В следующий раз, увидев радугу, вы наверняка постараетесь убедиться, что красная полоса находится на ее внешней стороне, а синяя (фиолетовая) – на внутренней; вы постараетесь найти вторичную радугу и подтвердить, что цвета в ней поменялись местами; вы увидите, что небо внутри первичной радуги очень яркое и намного темнее за ее пределами; а если вы носите с собой линейный поляризатор (что я рекомендую делать всегда), то не преминете проверить, действительно ли обе радуги сильно поляризованы. Вы просто не сможете противостоять искушению все это проделать. Это болезнь, которая отныне будет преследовать вас до конца жизни. Каюсь, это я вас ею заразил, но вылечить уже не смогу и, признаться, не испытываю по этому поводу ни малейших угрызений совести!