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

Но рассматривая бабочку из подсемейства морфид, упрятанную под стекло, вы ничего не поймете. Ее красота видна только тогда, когда насекомое раскрывает и закрывает крылья, окраска которых при этом меняется. Если у вас за домом не растет тропический лес, отправляйтесь в зоопарк и найдите вольер с бабочками. Вот тогда вы на собственном опыте убедитесь: по мере того как бабочка складывает крылья, они из полыхающих синим цвета электрик медленно превращаются в радующие глубоким синим оттенком. Если смотреть на крылья не прямо, в упор, можно заметить, как оттенки меняются. Этот эффект переливающейся радуги, при котором оттенок цвета кажется глубже, можно увидеть только у живой бабочки, пока она двигается.

Едва заметные изменения оттенков цвета обусловлены все тем же явлением интерференции. Когда свет падает на слои хитина под непрямым углом, разница между тем, как свет отражается от верхней и нижней частей, не так велика, как разница при свете, падающем перпендикулярно. То есть чуть более короткие волны света интерферируют с усилением. Поэтому когда вы смотрите на крылья сбоку, они приобретают более глубокий синий цвет — становится видимой та часть света, волна которой короче, чем волна цвета электрик.

Если рассматривать нашу бабочку с близкого расстояния, станет заметной еще одна ее особенность: кажется, что яркая окраска при раскрытии крыльев вспыхивает, при закрытии — гаснет. Глядя на крылья под углом скольжения, практически сбоку, вы увидите, что синий цвет совсем исчезнет.

Цвет крыльев бабочки меняется в зависимости от того, под каким углом на них смотрят, потому как в зависимости от угла интерферируют с усилением волны разных спектров. Я пытался упростить схему, но не уверен, что мне это удалось

По мере увеличения угла зрения интерферируют с усилением более короткие волны спектра глубокого синего, а вот волны, которые интерферировали бы с усилением при действительно малом угле, слишком коротки, чтобы мы их видели. Они больше не принадлежат той части спектра, что для нас видима. Когда вы смотрите на крыло под углом, вам кажется, будто цвет гаснет. Объясняется это тем, что под таким углом интерферируют с усилением и «вспыхивают» невидимые ультрафиолетовые волны (с длиной волны менее 400 нм). В полете синяя окраска на крыльях бабочки то появляется, то исчезает. Такие вспышки цвета дают эволюционное преимущество — они предостерегают хищных птиц, как превышающего скорость автомобилиста, заметившего сигналы в зеркале заднего обзора.

* * *

Переливчатые, сложные по составу цвета присущи не только бабочкам. К примеру, надкрылья жуков тоже представляют собой богатую палитру оттенков цвета металлик. У примечательного жука златки (Chrysochroa fulgidissima) надкрылья окрашены не только с лицевой стороны, но и с изнаночной. Если смотреть на жука под разными углами, его окраска будет меняться с желтовато-зеленой до темно-синей сверху и с зеленой до рыжевато-бурой снизу. Но переливчатая окраска свойственна и менее экзотическим видам. Крошечный, всего 6 мм длиной, листоед мятный (Chrysolina menthastri) может похвастать насыщенным зеленым окрасом с медным оттенком. Правда, он оставит ваши грядки без мяты. Но ведь красавчик, а?

Переливчатая окраска жуков обусловлена не особым строением их хитинового панциря на микроскопическом уровне, а все той же интерференцией световых волн. За сложные цветовые сочетания отвечает прозрачный хитин, покрывающий надкрылья тонкими, всего около сотни нанометров, слоями. Изумрудно-зеленые и медные оттенки напоминают переливы бензинового пятна или мыльного пузыря, образующиеся благодаря интерференции световых волн, отражающихся от верхней и нижней поверхностей бесконечно тонких слоев.

А ведь есть еще птицы. Радужные переливы любого пера — результат волновой природы света. Пожалуй, самым впечатляющим примером служит яркое — синих, зеленых, красных и золотистых оттенков — оперение райской птицы. Интенсивность окраски хвостовых перьев самцов играет важнейшую роль во время брачных танцев, привлекая самок. Прекрасны цветовые переходы на шейках некоторых видов колибри. В основном преобладают зеленые и синие тона, однако некоторые щеголяют переливчатыми тонами красного, желтого и медно-рыжего. Яркая бирюзовая вспышка на оперении зимородка также объясняется не пигментацией, а явлением интерференции, как, впрочем, и сине-зеленые оттенки вокруг шеи самца обыкновенного фазана. Да, и не будем забывать нашего павлина.

Структуры, ответственные за интерференцию световых волн, дающую великолепную цветовую окраску, у каждого вида птиц разнятся. У павлина это центральный стержень, от которого отходят многочисленные бородки, а от бородок — бородочки. Если рассматривать бородочки под электронным микроскопом, обнаружится, что они содержат фотонные кристаллы, состоящие из объемных решеток с гранулами меланина, разделенных промежутками, сравнимыми с длиной световой волны.,

Для всех этих и многих других созданий такое сложное строение покровов, благодаря которому образуется переливчатая окраска, явилось ступенькой вверх по эволюционной лестнице, облегчив, к примеру, взаимодействие — как с друзьями, так и с врагами. Однако еще один пример замечательной переливчатой окраски — перламутровые слои внутренней поверхности устричной раковины — кажется побочным эффектом, образовавшимся при создании устрицей надежного убежища. Перламутр состоит из бессчетного количества тончайших пластинок карбоната кальция, скрепленных между собой; он обладает гладкой поверхностью и ударопрочен. Перламутр скрыт от всеобщего обозрения, он не играет никакой роли ни при размножении, ни при общении. Можно подумать, что благополучие устрицы зависит от красивых «обоев» в ее домике-раковине.

Однако если поблизости оказываются люди, никакие переливчатые расцветки животным не помогают. Крылья бабочек из подсемейства морфид пользуются популярностью в качестве украшении на ритуальных масках — по крайней мере, так считают амазонские племена. Перламутр больше ценится человеком в виде инкрустации на деревянном комоде, нежели внутри раковины живого моллюска. В середине XIX века дамы из числа европейской аристократии предпочитали украшать свои бальные наряды надкрыльями жука-древоточца. Яркая окраска могла бы послужить ее владельцам, привлекая особей противоположного пола и отпугивая хищников, однако вместо этого привлекла человеческих существ, из-за чего краски лишь потускнели.

* * *

«Все мы знаем, что есть свет, однако непросто объяснить, что же это такое», — заметил Сэмюэль Джонсон.[62] И он прав: тот факт, что благодаря свету мы видим, сильно затрудняет понимание природы самого света.

Должен вам кое в чем признаться: я тут рассуждал о свете как о форме волны, однако в строгом смысле это не так. Живший в XVII веке Роберт Гук, английский физик, или, как тогда было принято называть, естествоиспытатель, в 1665 году выдвинул теорию света. Примерно четверть века спустя теория получила поддержку в лице его современника, голландца Христиана Гюйгенса, который опубликовал математическое доказательство того, что поведение света по большей части может быть объяснено с позиций волн.