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

Мельчайшие частички воды или льда в облаках имеют как раз подходящий размер, чтобы рассеивать свет подобным образом, поэтому небо покрыто облаками белого цвета (или, если облака достаточно густые, чтобы поглощать достаточное количество света, серого).

Пыль, присутствующая в атмосфере, также рассеивает свет. Поэтому тени и не бывают абсолютно черными, а хотя и являются более темными, чем области яркого освещения, но получают достаточно рассеянного света, чтобы можно было читать газету в тени здания или даже внутри здания в пасмурный день.

После захода солнца оно еще светит над горизонтом, освещая верхние слои атмосферы. Рассеиваясь вниз, свет погружает землю в постепенно сгущающиеся сумерки. Только после того как солнце погружается на 18° ниже горизонта, можно сказать, что началась полная ночь. Утром рассвету солнца предшествует второй за сутки период сумерек.

По мере уменьшения размеров частиц становится более заметной разница в том, как рассеивается свет в зависимости от длины волны. Свет с короткой длиной волны рассеивается сильнее, чем с длинной. Так, если солнце светит на облако табачного дыма, то сильнее рассеивается свет с короткой волны, и поэтому табачный дым кажется голубым.

Это явление изучал британский физик Джон Тиндаль (1820–1893). Он обнаружил, что свет, проходя через чистую воду или раствор таких маломолекулярных веществ, как соль или сахар, не подвергался рассеиванию. Луч света, двигающийся только вперед, невозможно увидеть со стороны, и жидкость является оптически чистой. Однако, если в растворе содержатся частицы достаточно большие для того, чтобы рассеивать свет (например, молекулы протеинов или маленькие конгломераты обычных нерастворимых веществ, таких как золото или оксид железа), часть света излучается в стороны, и тогда луч света можно видеть со стороны. Это явление названо эффектом Тиндаля.

Английский физик Джон Уильям Струтт, лорд Рейлиф (1842–1919), глубже проник в суть явления в 1871 году. Он вывел уравнение, показавшее, каким образом количество света, рассеиваемого молекулами газа, изменяется в зависимости от различных факторов, среди которых — длина волны света. Он показал, что количество рассеивания было обратно пропорционально четырехкратной длине волны. Поскольку на красном краю спектра длина волны в два раза больше, чем на фиолетовом, то красные волны и рассеивались меньше (а фиолетовые больше) — с коэффициентом 2, то есть в 16 раз.

На коротких расстояниях рассеивание такими мелкими частицами, как молекулы газа в атмосфере, незначительно. Однако, если брать в расчет мили атмосферы, тянущиеся вдаль, рассеивание увеличивается и, как показал Рейлиф, по большей части представляется фиолетовым краем спектра. Достаточное количество света рассеивается настолько, чтобы забить слабый свет звезд (которые, естественно, днем находятся в небе, так же как и ночью). Более того, рассеянный свет, освещающий небо, по большей мере представленный в области коротких волн, имеет синий цвет; само же солнце, поскольку из его излучения теряется небольшое количество света с короткой длиной волны, представляется несколько краснее, чем оно казалось бы в отсутствие атмосферы.

Когда солнце висит над горизонтом, этот эффект усиливается, потому что солнце светит сквозь более плотный слой воздуха, когда его лучи проходят сквозь атмосферу под углом. Рассеивается достаточно света и из средних слоев спектра, для того чтобы придать небу несколько зеленоватый оттенок, в то время как само солнце, поскольку рассеивается уже значительная пропорция его света, приобретает и в самом деле красный цвет. Когда он отражается от облаков, это выглядит очень красиво.

Поскольку в вечернем небе после дневной деятельности больше пыли, чем в небе утреннем, и поскольку пыль вызывает рассеивание, то закаты бывают более живописны, чем рассветы. После сильных извержений вулканов (например, вулкана Кракатау, который буквально взлетел на воздух в 1883 году) в верхние слои атмосферы было выброшено несчетное количество пыли, и еще долгие месяцы после этого закаты оставались особенно красивыми.

На Луне, лишенной атмосферы, небо черное даже тогда, когда на нем солнце. Тени — черные как смоль, и терминатор — граница между освещенной и теневой поверхностью тела — крайне резка, потому что сумерек здесь не существует. Земля, если на нее посмотреть из космоса, тоже дает терминатор, но более размытый, имеющий постепенный переход от света к темноте. Более того, сам шар Земли имеет явный голубой цвет благодаря рассеянному в атмосфере свету.

В свое время даже решение вопроса о скорости света в различных средах подтвердило точку зрения Хайгенса, став кульминацией двухвекового спора.

Первая попытка измерить скорость света была предпринята Галилеем примерно за полвека до начала противостояния между волнами и частицами.

Галилей поднимался на вершину холма, а его помощник — на вершину другого холма в полумиле от первого. Галилей планировал ночью зажечь фонарь, а его помощник должен был зажечь свой фонарь в ответ, как только заметит свет от фонаря Галилея. Промежуток времени от зажигания огня Галилеем до появления света от ответного сигнала и должен был примерно соответствовать времени, за которое свет проходит от Галилея до помощника и обратно. Таким же образом в то же время была успешно установлена скорость звука (см. ч. I).

Галилей обнаружил ощутимую разницу во времени между отправлением и получением света; однако для него было очевидно, что разница эта имела место не за счет того, что свету требовалось время на преодоление расстояния, а за счет того, что нервной системе человека требовалось время, чтобы отреагировать на ощущение, потому что в случае, когда между двоими людьми было расстояние в милю, задержка была не больше, чем когда это расстояние составляло шесть футов.

В общем, единственное, что Галилею удалось таким экспериментом доказать, — что свет движется быстрее, чем звук. На самом деле оставалась вероятность, что свет движется с бесконечной скоростью, как всерьез предполагали многие ученые.

Только в 1670 году было предоставлено определенное свидетельство того, что скорость света, хоть и очень высокая, все же конечна. Датский астроном Оле Рёмер (1644–1710) тогда производил доскональное исследование спутников Юпитера (которые открыл Галилей в 1610 году). Орбиты этих спутников были тщательно рассчитаны, и время, в которое каждый спутник должен проходить за Юпитером и для наблюдателя с Земли должен быть закрыт, теоретически могло быть очень точно рассчитано. Однако Рёмер обнаружил, что затмения происходили не по расписанию — в одних случаях на несколько минут позже, а в других — на несколько минут раньше.

Скорость света

При дальнейшем исследовании он обнаружил, что всякий раз, когда Земля и Юпитер оказывались с одной стороны от Солнца, затмения происходили раньше намеченного; когда же обе планеты были по разные стороны от Солнца, затмения запаздывали.