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

Впрочем, отражение далеко не всегда идеально. Зачастую объект отражает лишь часть света. Но оно чрезвычайно полезно, когда два объекта находятся рядом друг с другом и мы хотим их отличить. Тот, который отражает синий свет, – это моя чашка, а тот, который отражает красный, – чашка моей сестры. Таким образом, отражение играет важную роль при падении волны на ту или иную поверхность. Однако это не единственное, что может произойти, когда на пути волны возникает граница. Преломление (рефракция) может влиять на волны более «тонким» способом, изменяя направление их движения.

Когда какая-то гавайская королева стояла на вершине скалы, окидывая взором побережье и наблюдая за формированием волн прибоя, она могла заметить, что хотя волны из открытого океана каждый день движутся в сторону острова с какого-то другого направления, в том месте, где они достигают берега, они всегда ему параллельны. Волны не могут подходить к берегу сбоку, в какую бы сторону он ни был обращен. Это объясняется тем, что скорость волн зависит от глубины воды, а волны на б о льших глубинах движутся быстрее. Вообразите длинный прямой берег и приближающийся к нему гребень волны с направления, отклоняющегося слегка влево от перпендикуляра к линии берега. Правая половина гребня волны расположена дальше от берега, то есть находится на большей глубине. Следовательно, она перемещается быстрее, догоняя половину волны, расположенную ближе к берегу. Таким образом, по мере приближения к берегу гребень всей волны слегка поворачивается против часовой стрелки и накатывается на берег параллельно ему. Таким образом, вы можете изменить направление движения волны, изменяя скорость каких-то частей ее гребня относительно других его частей. Это явление называется рефракцией.

Легко представить себе изменение скорости водяной волны, но как быть со светом? Физики обычно говорят о «скорости света». Это невообразимо высокая скорость и принципиально важный элемент самого знаменитого научного наследия Эйнштейна: специальной теории относительности и общей теории относительности. Открытие существования постоянной «скорости света» произвело настоящий фурор в научном мире, хотя многим было трудно понять и принять этот факт. Но вы, наверное, удивитесь, узнав, что никогда в жизни не встречали световые волны, движущиеся со скоростью света. Даже вода ее замедляет. Вы сами можете убедиться в этом с помощью монетки и чашки.

Положите монету плашмя на дно чашки так, чтобы она касалась ближней к вам стенки чашки. Затем наклоняйте чашку в противоположную от себя сторону до тех пор, пока край чашки не скроет от вас монету. Свет движется по прямой, но сейчас нет прямой линии, которая соединяла бы ваши глаза и монетку. Теперь, не изменяя положения своей головы и чашки, наполните чашку водой. Монетка снова появится в поле вашего зрения. Ее положение не изменилось, но отражающийся от нее свет изменил направление после выхода из воды и теперь может попасть на сетчатку вашего глаза. Это косвенная демонстрация того, что вода замедляет скорость света. Попадая в воздух, свет снова ускоряется, а световая волна, пересекая границу между водой и воздухом, изгибается под определенным углом. Это явление называется преломлением, или рефракцией, и происходит не только на границе воды и воздуха: любая среда, через которую проходит свет, замедляет его – но в разной степени. Говоря о «скорости света», мы подразумеваем скорость света в вакууме, то есть в пустоте. Вода замедляет скорость света до 75 % от его скорости в вакууме; стекло – до 66 %. В бриллианте свет движется со скоростью, составляющей лишь 41 % от его скорости в вакууме. Чем больше замедляется скорость света в том или ином материале, тем больше свет отклоняется на границе с воздухом. Вот почему бриллианты сверкают сильнее, чем большинство других драгоценных камней: они гораздо больше замедляют свет [51]. И это отклонение – единственная причина, по которой вы можете видеть стекло, воду или бриллианты. Сами по себе эти материалы прозрачны, поэтому мы не можем видеть их непосредственно. В действительности мы видим, как нечто воздействует на свет, проходящий сквозь него, и интерпретируем это «нечто» как прозрачный объект.

Возможность созерцать бриллианты доставляет удовольствие уже сама по себе (особенно тем, кто может себе позволить их покупку), но рефракция – не только источник эстетического наслаждения. Если бы не она, у нас не было бы линз. А линзы открыли человечеству огромный пласт науки. Без линз не появились бы микроскопы, позволяющие исследовать эмбрионы и клетки, из которых мы состоим, телескопы для исследования космоса и фото- и видеоаппаратура, фиксирующая интересующие нас процессы. Если бы световые волны всегда двигались со скоростью света, у нас бы всего этого не было. Мы буквально купаемся в световых волнах, и они все время отражаются и преломляются, ускоряются и замедляются при прохождении через те или иные среды. Подобно хаосу в шторм на поверхности океана, перекрывающиеся между собой световые волны разной длины движутся рядом с нами во всевозможных направлениях. Но отбирая и преломляя, отфильтровывая одни волны и замедляя другие, наши глаза упорядочивают лишь малую долю этого света таким образом, чтобы он мог приносить нам какую-то пользу. Гавайская королева, стоя на прибрежной скале, наблюдает водяные волны с помощью световых волн, причем оба вида волн подчиняются одним и тем же физическим законам.

Замечательно, если какие-то световые волны, отразившись или преломившись, попали на сетчатку вашего глаза, в результате чего вы смогли увидеть те или иные объекты. А как насчет световых волн, не достигших ваших глаз?

Я давно заметила одну небольшую странность: если вы дадите ребенку набор цветных карандашей и попросите его нарисовать воду, вытекающую из водопроводного крана, он обязательно изобразит ее голубой . Но вряд ли кто-то из нас видел голубую воду, вытекающую из крана. Она должна быть бесцветной. Если же у такой воды голубоватый цвет, срочно обратитесь к водопроводчику: в нее наверняка попадают вредные примеси и она непригодна для питья. Но вода на детских рисунках всегда голубого цвета.

На спутниковых снимках Земли океаны имеют явно выраженный голубоватый цвет. И это не потому, что морская вода соленая: на вершинах ледников встречаются небольшие озера, образованные талой водой, практически лишенной солей, но они тоже потрясающе голубого цвета, будто в них специально добавили пищевой краситель. Но в местах, где талая вода стекает с ледника в озеро, она бесцветна. Стало быть, цвет воды определяется не ее содержимым, а количеством .

Световые волны, падающие на водную поверхность, либо отражаются обратно в небо, либо проникают глубоко в толщу воды. Но иногда какая-нибудь крошечная частица или даже сама вода создает препятствие на пути световых волн, отражая их в каком-то другом направлении. Такое перенаправление может многократно произойти с одной и той же световой волной, в результате чего она в итоге отражается обратно в воздух. На этом длинном пути вода отфильтровывает свет. Световые волны, исходящие от Солнца, представляют собой сочетание волн разной длины, в котором присутствуют все цвета радуги. Но вода может поглощать свет, причем какие-то цвета она поглощает гораздо интенсивнее, чем другие. Первым отфильтровывается красный цвет: достаточно буквально нескольких метров воды, чтобы свет полностью избавился от красной составляющей. Еще несколько десятков метров понадобится для того, чтобы лишить свет желтой и зеленой составляющих. Хуже всего поглощается голубой цвет – он может проникать на огромную глубину. И к тому времени, когда отразившийся свет выберется на поверхность океана, в нем в основном останется голубая составляющая. Таким образом, бесцветность воды, вытекающей из крана, объясняется тем, что ее количества недостаточно, чтобы отфильтровать все составляющие солнечного света, кроме голубого цвета. Впрочем, у воды из крана есть цвет – причем такой же, как у всей воды на планете. Но он настолько слабый, что вам понадобилось бы собрать огромное количество такой воды, чтобы заметить эффект, оказываемый ею на проходящие сквозь нее световые волны [52]. Когда вы наблюдаете такой эффект собственными глазами, это производит впечатление, и выбор голубого карандаша для изображения воды кажется вполне естественным. Но если бы жизненный опыт ребенка сводился лишь к использованию воды из водопроводного крана, то выбор голубого карандаша был бы отнюдь не очевидным.