Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

В то время как в безветренные дни гавайцы возносили молитвы своим богам, упрашивая их поднять океанские волны до высоты, пригодной для полноценного серфинга, за тысячи километров от этих мест океан мог выглядеть совершенно иначе. Ветры могучих штормов обрушивались на его поверхность и передавали свою энергию воде, на которой образовывались высокие волны. Но волны, порождаемые штормами, это беспорядочная смесь коротких и длинных волн, движущихся в разных направлениях, сталкивающихся друг с другом, разбивающихся и перестраивающихся. Зимние штормы регулярно свирепствуют на широте примерно 45°, поэтому они возникают либо к северу от Гавайских островов, когда зима наступает в Северном полушарии, либо к югу от Гавайских островов, когда зима наступает в Южном полушарии. Но волны должны куда-то двигаться. Когда ураганные ветры обрушиваются на океанскую поверхность, участок океана, охваченный сильным волнением, расширяет свои границы за пределы урагана – в места, куда не достает шторм. И здесь может начаться сортировка: проявляется истинная природа нагромождения волн, на первый взгляд кажущегося беспорядочным. На самом деле это вовсе не хаос, а совокупность волн разного типа, смешанных друг с другом. Более длинные волны движутся быстрее, чем короткие, поэтому и уходят быстрее, существенно опережая своих меньших собратьев. Но в процессе движения волне приходится кое-что терять. Она постепенно отдает энергию своему окружению, причем ее количество в расчете на каждую милю пройденного пути больше у коротких волн. Следовательно, короткие волны не только уступают в скорости длинным, но и теряют больше энергии. Так что неудивительно, что им требуется не так уж много времени, чтобы полностью исчезнуть. За тысячи километров от центра шторма спустя несколько дней движутся лишь самые длинные волны с гладкими регулярными гребнями, распространяясь концентрическими окружностями по всей планете.

Таким образом, первое преимущество Гавайев – в достаточном удалении от мест, где регулярно штормит, поэтому островитяне наблюдают лишь последствия ураганов в виде остаточных гладких, аккуратных длинных волн. Второе преимущество – Тихий океан очень глубокий, а вулканические края Гавайских островов непомерно крутые. Волны перемещаются по поверхности океана, практически не встречая препятствий на своем пути, и внезапно наталкиваются на крутые склоны. При этом вся энергия, которая была рассредоточена по огромной глубине, становится более концентрированной на мелководье, в результате чего высота волн увеличивается. Стоя на берегу, гавайцы ждут последнего вздоха этих медлительных монстров. Перед тем как выкатиться на идеальный песчаный пляж, волны становятся очень крутыми, что и требуется королям и королевам, вооружившимся своими длинными узкими досками «Оло».

Водяные волны – пожалуй, первые, с которыми сталкивается большинство людей на протяжении жизни. То, на чем покачивается утка, представить и понять не так уж сложно. И хотя волны бывают разных типов, к ним ко всем применимы одни и те же физические принципы. Все волны характеризуются той или иной длиной, то есть расстоянием между гребнями соседних волн. Поскольку волны движутся, всем им также свойственна определенная частота, а именно сколько раз в секунду они проходят полный цикл (от гребня до впадины и обратно до гребня). Кроме того, все волны имеют определенную скорость, но некоторые (например, водяные волны) движутся с разными скоростями, зависящими от длины волны. Проблема с большинством волн заключается в том, что мы не видим, что именно их создает. Звуковые волны движутся в воздухе и представляют собой компрессионные волны: вместо формы, перемещающейся в пространстве, происходит передача давления. Труднее всего вообразить световые волны, которые движутся через электрические и магнитные поля. Но несмотря на то что мы не способны видеть электричество, мы можем наблюдать эффекты, порождаемые волновой природой света [50].

Одна из главных причин, почему волны интересны и полезны, заключается в том, что среда, через которую они проходят, зачастую изменяет их. К тому моменту, когда мы сможем увидеть, услышать или иным способом обнаружить волну, она становится кладезем бесценной информации, поскольку несет на себе отпечаток среды, сквозь которую проходила. Но этот отпечаток формируется относительно простыми способами. Есть три основные вещи, которые могут произойти с волной в процессе прохождения той или иной среды: волна может отразиться, или преломиться, или поглотиться.

Если вы обратите внимание на ассортимент рыбного отдела супермаркета, то увидите в основном рыб серебристых оттенков. Исключение из правила – тропические рыбы, такие как барабулька обыкновенная и красный люциан, а также рыбы, обитающие в придонных глубинах, вроде морского языка и камбалы. Но в основном вы видите рыбу, которая перемещается в открытом океане крупными косяками, например сельдь, сардины и макрель. Серебристый оттенок интересен тем, что в действительности это вовсе не цвет. «Серебристый» – просто слово, которым мы обозначаем то, что служит трамплином для света, отбрасывающим его обратно в мир. Отражаться могут любые волны, и почти все материалы в той или иной степени отражают свет. Особенность серебра в том, что оно отражает все волны без разбора. Любой цвет «обрабатывается» одинаково, без исключений. Наиболее хорошо это удается отполированному металлу. И это свойство полезно в связи с тем, что угол падения света на поверхность равен углу его отражения от этой поверхности. Если взять какое-либо изображение и воспользоваться зеркалом, которое отразит его в другом направлении, то относительные углы всех лучей света останутся теми же. Чтобы получить идеальное изображение, нужно идеально отполировать металл, а это нелегко, именно поэтому люди испокон веков очень высоко ценили зеркала. Тем не менее серебристый оттенок рыбы воспринимается нами как нечто само собой разумеющееся. Однако он объясняется вовсе не наличием металла. Чтобы приобрести такой оттенок, рыбам пришлось сформировать структуры, которые позволяют получить его с помощью органических молекул. Это довольно сложный и, следовательно, недешевый эволюционный процесс. Если вы сельдь, то зачем вам это нужно?

Сельдь ходит по морю косяками, питаясь крошечными созданиями, похожими на креветок, и надеясь избежать встречи с большими хищниками: дельфинами, тунцом, треской, китами и морскими львами. Но океаны – огромные пустынные пространства, где негде спрятаться. Единственный выход – стать невидимым или хотя бы замаскироваться, чтобы быть менее заметным на фоне окружающей среды. Может, рыба должна иметь голубоватый оттенок, чтобы слиться с цветом морской воды? Проблема в том, что цвет морской воды непостоянен и зависит от времени суток, а также ряда других факторов. Но, чтобы выжить, сельдь должна как можно меньше отличаться от окружающей ее воды. Именно поэтому она превращается в некое подобие плавающих зеркал: пустой океан позади косяка сельди выглядит точно так же, как и перед косяком. Сельдь, как и высококачественное алюминиевое зеркало, может отражать 90 % падающего на нее света. Отражая световые волны обратно в глаза потенциальных хищников, сельдь может плыть, прикрываясь своего рода щитом, созданным из света.