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

Если светопоглощающий предмет поставлен между источником света и освещаемой поверхностью, свет будет проходить вокруг предмета, но не сквозь него. Со стороны объекта, противоположной источнику света, таким образом, появится темное пространство, именуемое тенью. Там, где это пространство попадет на освещаемую поверхность, будет неосвещенный участок; это двухмерная проекция тени, которую мы обычно этим словом и называем.

Луна отбрасывает тень. Половина ее поверхности подставлена прямым лучам солнца; другая половина расположена таким образом, что светонепроницаемое вещество самой Луны закрывает Солнце. Мы видим только освещенную сторону Луны, и поскольку эта освещенная сторона повернута к нам углом, который изменяется от 0 до 360° на протяжении календарного месяца, то мы и видим, как Луна проходит все фазы своего цикла.

Далее, лунная тень падает не только на собственную поверхность Луны, но и дальше распространяется в пространство на двести тысяч миль. Если бы Солнце было точечным источником света, то есть весь свет исходил бы из одной точки в центре Солнца, — то эта тень тянулась бы бесконечно.

Однако Солнце излучает свет по всей своей поверхности, и чем дальше предмет находится от Луны, тем меньше ее видимые размеры, пока наконец она не станет такой маленькой, что уже не сможет полностью закрывать Солнце, которое гораздо больше ее. С этого момента Луна уже не отбрасывает полную тень, а полная тень, или убмра (от латинского umbra — тень), уменьшается до точки. Однако умбра тянется достаточно далеко, чтобы достигнуть поверхности Земли, и иногда, когда Луна оказывается точно между Землей и Солнцем, случается солнечное затмение на небольшом участке земной поверхности.

Земля тоже отбрасывает тень, и половина ее поверхности находится в этой тени. Земля оборачивается вокруг собственной оси за двадцать четыре часа, и каждый из нас переживает эту тень (ночь) каждые сутки. (Это не совсем верно для полярных областей по причинам, которые лучше описаны в учебнике астрономии.) Луна может попадать в земную тень, которая гораздо длиннее и шире, чем тень от Луны, и тогда мы можем наблюдать лунное затмение.

Светонепроницаемая материя не абсолютно непроницаема. Если она становится достаточно тонкой, немного света может пройти сквозь нее. Например, свет может проходить сквозь тонкий золотой лист, хотя само по себе золото светонепроницаемо.

Некоторые виды материи поглощают так мало света (на единицу толщины), что с той толщиной, с которой мы их встречаем в повседневной жизни, не особенно влияют на прохождение сквозь них света. Такие формы материи называются прозрачными. Лучшим примером прозрачной материи является воздух. Он так прозрачен, что мы редко осознаем его присутствие, поскольку мы видим предметы сквозь него так, как будто никакого препятствия и нет. Почти все газы прозрачны. Множество жидкостей, например вода, тоже прозрачны.

А вот среди твердых видов материи прозрачность — исключение. Одной из редких естественных субстанций, прозрачных в твердом виде, является кварц, и изумленные греки считали его формой теплого льда. Само слово «кристалл», впервые примененное к кварцу, происходит от греческого «лед», а слово «кристальный» одним из своих значений имеет «прозрачный».

Прозрачность становится тем менее выраженной, чем толще становятся слои обычно прозрачных веществ. Небольшое количество воды явно прозрачно, и камни на дне чистого пруда четко видны. Однако когда ныряльщик погружается в воду моря, достигающий его свет становится все слабее и слабее, а на глубине 450 футов свет почти уже не проникает вглубь. Слои воды большей толщины так же непрозрачны, как и слои камня такой же толщины, и морское дно уже невозможно увидеть сквозь покрывающую его «прозрачную» воду.

Воздух поглощает свет еще меньше, чем вода, соответственно он менее прозрачен. Несмотря на то что мы находимся на дне воздушного океана глубиной во много миль, свет беспрепятственно достигает нас, а мы беспрепятственно можем наблюдать куда более слабый свет звезд[79].

Тем не менее некоторое поглощение все же присутствует: подсчитано, что 30 процентов света, достигающего Земли из космоса, поглощается атмосферой. (Некоторые виды радиоактивного излучения, отличные от видимого света, поглощаются атмосферой с куда большей эффективностью, и толщины покрывающего нас воздуха достаточно, чтобы в данном случае он оказался непрозрачным для этих излучений.)

Свет — это форма энергии, и, поскольку он с легкостью может переходить в другие виды энергии, его нельзя уничтожить. Кажется, что при поглощении непрозрачной материей (или толстым слоем прозрачной материи) он уничтожается, но на самом деле он переходит в тепло.

Утверждение о том, что свет всегда движется по прямой, совершенно верно только в одном случае: когда свет движется в однородной среде, например в вакууме или в воздухе, обладающем по всей своей протяженности одинаковой температурой и плотностью. Если же в среде происходят изменения, например когда свет в воздухе натыкается на непрозрачное тело, правило о прямолинейном распространении теряет свою строгость. Свет, не поглощенный телом, резко меняет направление, как и бильярдный шар, ударяющийся о борт. Такой «отскок» света от непрозрачного предмета называется отражением.

Свет отражается от предмета по тем же законам, по которым бильярдный шар отскакивает от борта. Представьте себе плоскую поверхность, способную отражать свет. Линия, перпендикулярная к этой поверхности, называется нормалью (от латинского названия плотницкого уголка, который использовали для того, чтобы рисовать перпендикуляры)[80]. Луч света, движущийся по нормали, ударяется в отражающую поверхность под прямым углом и отлетает назад по своей же траектории. Так же поведет себя и летящий на скорости бильярдный шар.

Если луч света движется под углом по отношению к поверхности, то и к нормали он придется под углом. Луч света, движущийся к поверхности, называется падающим лучом, а его угол к нормали называется углом падения. Отраженный луч пойдет обратно с другой стороны нормали, под новым углом к ней, под углом отражения. Падающий луч, отраженный луч и нормаль находятся в одной плоскости, то есть можно положить плоский лист таким образом, чтобы по нему проходили все три линии.

Эксперименты с лучами света и отражающими поверхностями в запыленном воздухе, в котором лучи света становятся видимыми, показывают, что угол падения (i) всегда равен углу отражения (r). Это может быть выражено просто:

i = r. (Уравнение 2.1)