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

⁂

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.

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 больших 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.