Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Радуги в некотором роде странны по своей природе, поскольку почти весь их свет поляризован. Термин «поляризованный», скорее всего, известен вам именно из описания солнцезащитных очков. С технической точки зрения он не совсем корректен, но позвольте мне объяснить суть поляризованного света, а потом мы вернемся к темным очкам и радугам.

Волны получаются в результате колебаний «чего-либо». Вибрирующий камертон или скрипичная струна издает звуковые волны, о которых мы поговорим в следующей главе. Световые волны создаются вибрирующими электронами. Далее, если вибрации имеют одно и то же направление и перпендикулярны направлению распространения волны, мы называем такие волны линейно-поляризованными. Для простоты обсуждения я, рассказывая в этой главе о поляризованном свете данного вида, буду называть его просто «поляризованным».

Звуковые волны никогда не бывают поляризованными, потому что они всегда распространяются в том же направлении, что и колеблющиеся молекулы воздуха в волнах давления – наподобие волн, генерируемых игрушкой-пружинкой Slinky. А вот свет может быть поляризованным. Солнечный свет или свет от лампочки в вашем доме не поляризован, но мы можем без особого труда преобразовать его в поляризованный. Один из способов сделать это – купить так называемые поляризованные солнцезащитные очки. Теперь вы знаете, почему это название не совсем корректно. На самом деле это поляризующие солнечные очки. Другой способ – приобрести оптический линейный поляризатор (изобретенный Эдвардом Лендом, основателем Polaroid Corporation) и взглянуть на мир через него. Поляризаторы Ленда, как правило, толщиной в один миллиметр, бывают самых разных размеров. Почти весь свет, проходящий через них (в том числе через поляризующие очки), становится поляризованным.

Если поставить два прямоугольных поляризатора один на другой (я раздаю по паре каждому студенту, чтобы он мог экспериментировать с ними дома) и повернуть под углом 90 градусов друг к другу, свет через них не будет проходить вообще.

Впрочем, природа производит много поляризованного света и без помощи поляризаторов Ленда. Свет от голубого неба, идущий под углом 90 градусов к солнцу, почти полностью поляризован. Откуда мы это знаем? А попробуйте посмотреть на голубое небо (в любом месте под углом 90 градусов к солнцу) через линейный поляризатор, медленно вращая его. Вы заметите, что яркость неба меняется. Когда небо становится почти совсем темным, свет, поступающий от той части неба, практически полностью поляризован. Таким образом, чтобы распознать поляризованный свет, достаточно одного поляризатора (но все гораздо интереснее, если у вас их два).

В первой главе я описывал, как «создаю» в аудитории синий свет, рассеивая белый свет от сигаретного дыма. Я достигаю этого эффекта, рассеивая синий свет по лекционному залу под углом около 90 градусов; этот свет тоже почти полностью поляризован. Студенты могут увидеть его через поляризаторы, которые всегда приносят на мои лекции.

Солнечный свет, отражающийся от воды или стекла, также может стать практически полностью поляризованным, если он (или свет от лампочки) падает на водяную или стеклянную поверхность под прямым углом, который мы называем углом Брюстера. (Дэвид Брюстер – шотландский физик XIX века, сделавший огромный вклад в развитие оптики). Вот почему моряки часто носят поляризующие солнечные очки – благодаря им они блокируют б о льшую часть света, отражающегося от поверхности воды.

Я всегда ношу в бумажнике хотя бы один поляризатор – да-да, всегда – и призываю своих студентов поступать так же.

Зачем я рассказываю вам все это о поляризованном свете? Затем, что свет от радуг почти полностью поляризован. Поляризация происходит, когда солнечный свет отражается внутри капли воды, что, как вы уже знаете, – необходимое условие для формирования радуги.

Я создаю на своих лекциях особый вид радуги (используя одну, хоть и очень большую, каплю воды) и благодаря этому могу доказать следующее: 1) красный находится на внешней части радуги, 2) синий (фиолетовый) – на ее внутренней части, 3) в середине радуги отображается яркий белый свет, которого никогда не увидишь во внешней части, и 4) свет радуги поляризован. Тема поляризации радуги меня чрезвычайно интересует (это одна из причин, почему я всегда ношу с собой поляризаторы).

Радуги – наиболее известное и красочное атмосферное явление, но отнюдь не единственное. Существует целый ряд других явлений атмосферы; некоторые из них сразу бросаются в глаза, а другие, напротив, мистически загадочны. Но давайте еще какое-то время останемся с радугами и посмотрим, куда это нас приведет.