Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас - Гэвин Претор-Пинней

Я вдруг заметил у ближайшего края прямоугольного бассейна перемежающиеся области с большим и меньшим волнением — это достигли бортика линии интерференции с усилением и ослаблением. Наконец, я почувствовал, что наблюдения за волнами принимают уже садистский характер, и решил положить этому конец. Зачерпнув воду с мотыльками, я положил их на деревянный пол террасы, чтобы они обсохли. И потом порхали еще день (или ночь).

Находясь на борту самолета, можно увидеть характерный рисунок интерференции волн в гораздо более крупных масштабах. Если посмотреть в иллюминатор на простирающийся внизу океан, иногда можно заметить, как равномерно расходящиеся линии зыби, идущие в одном направлении, накладываются на линии зыби, идущие в другую сторону. Линии сливаются, образуя своего рода сетку из наложенных и нейтрализованных гребней и подошв. По правде говоря, все волны одного типа, проходя друг через друга, интерферируют подобным образом, если, конечно, это не ударные волны, для которых закон не писан.

* * *

Поскольку явление интерференции лежит в самой основе поведения волн, неудивительно, что его демонстрируют и волны световые. Однако для того, чтобы раскрыть механизм образования переливчатого цвета на крыльях павлиньего глаза, придется копнуть глубже.

Электромагнитные волны видимого нам спектра варьируются от примерно 400-450 нанометров (нм)[61] (для нас это темно-синий и голубой) до примерно 700-750 нм (мы видим это как красный). Границы каждого спектра невозможно определить четко — нельзя сказать, где заканчивается один цвет и начинается другой, все зависит от окружающих условий и особенностей зрения воспринимающего. Например, гремучники Центральной Америки наловчились различать более длинные инфракрасные волны, исходящие от их жертв в виде тепла, а пчелы различают более короткие ультрафиолетовые волны, отражаемые некоторыми цветками. Однако для нас, людей, и инфракрасные, и ультрафиолетовые волны невидимы.

Тот факт, что длина световой волны определяет ее цвет, является главным для понимания того, почему крылья павлиньего глаза переливаются всеми цветами радуги.

Не обладающие пигментом гироиды образуют цвета в результате интерференции; синий же цвет объясняется тем, что световые волны длиной в 400 нм выглядят синими.

Чтобы вникнуть в принцип действия гироидов, отвечающих за разнообразие цветов, обратимся к еще одному виду бабочек — у этого вида окраска так ослепительна, что насекомое стало объектом пристального научного изучения. Называется она морфо; ее обнаружили под густым пологом джунглей Латинской Америки. У некоторых особей этого отряда чешуекрылых вся поверхность крыльев окрашена в синий цвет с металлическим отливом; сами крылья достигают 20 см в размахе. Когда бабочка взмахивает крыльями (даже не крыльями, а крылами — так они велики), вспышки синего делают ее заметной на расстоянии 400 метров. Ее легко увидеть над кронами деревьев, если смотреть с низко летящего самолета.

Гироиды на поверхности чешуек крыла морфо — и не только этой, а и других бабочек с разноцветными крыльями — образуют переливающиеся цвета в результате отражения солнечного света от тончайших, многочисленных слоев прозрачного хитина. В обычный микроскоп пластинки не увидеть. Поэтому чтобы разгадать тайну завораживающих переливов бабочки, придется сфотографировать чешуйки с помощью электронного микроскопа. По фотографии можно будет сказать, что разрывы между слоями расположены на одинаковом расстоянии и невероятно малы — около 200 нм, что составляет примерно половину длины волны синего цвета.

Рассмотрим бабочку морфо. Края прозрачных слоев хитина идут вдоль всей длины переливчатых чешуек крыла, каждая из которых меньше точки. Сами края зазубрены. В электронный микроскоп видно, что срез поверхности чешуйки крыла напоминает по виду составленные в ряд новогодние ели.

Но даже вырасти эти новогодние ели в человеческий рост, вы все равно не смогли бы поставить такое деревце у себя дома, потому что они больше похожи на прозрачный пластилин, которому специальной формочкой придали вид ели.

На сделанном с помощью электронного микроскопа снимке виден срез особых геометрических образований на поверхности чешуек крыла бабочки Morpho rhetenor из подсемейства морфиды, своей затейливой структурой напоминающий торговую площадку садового центра в преддверии Нового года

«Ветками» служат небольшие зазубрины вдоль «стволов» — это и есть слои, играющие исключительно важную роль. Расстояние между отдельными «ветками»-зазубринами выдерживается с удивительной точностью — в 200 нм.

Световые волны, отражаясь от верхних и нижних поверхностей этих слоев хитина, в момент наложения друг на друга интерферируют. Солнечный свет, отражаясь от верхней части слоя, интерферирует со светом, который прошел через прозрачный материал и отразился от нижней части слоя. То, как обе отраженные части света интерферируют, зависит от разницы в расстоянии, которое преодолевает каждая часть, от изменения скорости распространения при прохождении через хитин и от длины световой волны. Взаимное сочетание всех этих характеристик определяет, совпадают две наложившиеся друг на друга световые волны по фазе (совпадают ли их гребни и подошвы, усиливая друг друга) или нет (гребни совпадают с подошвами, и волны друг друга нейтрализуют). В зависимости от этого волны интерферируют либо с усилением — и в таком случае цвет становится ярче, либо с ослаблением — цвет тускнеет.

У волн синего спектра отражения от верхней и нижней частей слоя совпадают по фазе — цвет усиливается. У более длинных волн красного спектра отражения по фазе не совпадают — цвет тускнеет

Точно выдерживаемая толщина «веток» «новогодних елей» и расстояние между их «ветками» гарантирует, что из всего волнового спектра солнечного света только волны с длиной около 400 нм, то есть синий спектр, интерферируют с усилением и, следовательно, выглядят ярче. Благодаря тому что отражения волн синего спектра совпадают по фазе друг с другом, они усиливаются, отражаясь от «веток новогодних елей»; волны других спектров по фазе не совпадают и интерферируют с ослаблением, нейтрализуя друг друга и тускнея. Слои, расположенные один за другим, распространяют отражения волн с определенной длиной, а бурый пигмент меланина в основании «новогодних елей» поглощает остальные, не отразившиеся волны света, препятствуя их смешению с чистым синим спектром. Получается, интерференция выступает в роли волшебного разделителя, выхватывая из сплетения волн различной длины (которое мы видим как солнечный свет) только синий спектр, блестящий так, что аж глаза режет.