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

Если внимательно посмотреть на очень яркую радугу, то на ее внутренней кромке иногда можно увидеть ряд чередующихся ярких и темным полос, которые называются дополнительными радугами. Чтобы понять это явление, нам придется отказаться от объяснения природы световых лучей, данного Ньютоном. Он считал, что свет состоит из частиц, поэтому, когда он представлял себе отдельные лучи света, проникающие в каплю дождя, преломляющиеся в ней и выходящие из нее, то предполагал, что они ведут себя так, как если бы были маленькими частицами. Но чтобы объяснить дополнительные радуги, о свете необходимо думать как о чем-то состоящем из волн. Для создания такой радуги световые волны должны пройти через дождевые капли менее миллиметра в диаметре.

Один из самых важных экспериментов во всей физике (его чаще всего называют опытом Юнга, или экспериментом на двух щелях) наглядно продемонстрировал, что свет состоит из волн. В этом знаменитом эксперименте, впервые проведенном в 1801–1803 годах, английский ученый Томас Юнг расщепил узкий луч солнечного света на два пучка и увидел на экране картинку (сумму двух пучков), которую можно было объяснить, только предположив, что свет состоит из волн. Позже данный эксперимент был проведен по-другому, с использованием двух щелей (или двух микроотверстий). Далее я буду исходить из предположения, что узкий пучок света проходит через два очень маленьких микроотверстия (расположенных близко друг к другу) в листе тонкого картона. Свет проходит через них и падает на экран. Если бы свет состоял из частиц, любая заданная частица проходила бы либо через одно отверстие, либо через другое (поскольку не могла бы пройти через оба) и, следовательно, мы видели бы на экране два ярких пятна. Однако картинка на экране иная. Она точно имитирует то, что ожидаешь увидеть, если на экране встречаются две волны – одна, прошедшая через первое микроотверстие, и одновременно вторая, идентичная первой, прошедшая через второе. Сложение этих двух волн подвержено тому, что мы называем интерференцией. Когда гребни волны из одной прорези совпадают со впадинами волн из другой, волны компенсируют друг друга и места на экране, где это происходит (их будет не одно), остаются темными. Разве это не удивительно – свет плюс свет равен тьме! И наоборот, в других местах экрана, где две волны синхронизированы друг с другом, нарастая и спадая одновременно, мы в результате видим очень яркие пятна (их тоже будет несколько). Таким образом, на экране отобразится узор, состоящий из чередующихся темных и светлых пятен, и это именно то, что увидел Юнг во время опыта с расщепленным лучом.

Я демонстрирую этот опыт на своих лекциях, используя красный и зеленый лазерные лучи. Это действительно захватывающее зрелище. Студенты видят, что узор зеленого света очень похож на узор красного, за исключением того, что деление на темные и светлые пятна у зеленого несколько мельче. Зависимость узора от цвета говорит о зависимости его от длины волны света (более подробно о длине волны мы поговорим в следующей главе).

Ученые на протяжении многих веков спорили по поводу того, состоит ли свет из частиц или из волн, и описанный выше эксперимент позволил сделать ошеломляющий и неоспоримый вывод: свет имеет волновую природу. Сегодня мы знаем, что свет может вести себя и как частица, и как волна, но этого не менее поразительного вывода научному миру пришлось ждать еще век, до появления квантовой механики. Впрочем, в данный момент в эту тему погружаться не стоит.

Лучше вернемся к дополнительным радугам. Интерференция световых волн создает темные и светлые полосы. Это явление особенно четко выражено, если диаметр капель составляет около 0,5 миллиметра. Вы можете увидеть изображение дополнительной радуги на сайте www.atoptics.co.uk/rainbows/supdrsz.htm.

Эффекты интерференции (часто называемые дифракцией) становятся еще заметнее при диаметре капель меньше 40 микрон (0,04 миллиметра). В этом случае цвета разнесены так сильно, что волны разных цветов полностью перекрываются, все цвета смешиваются и радуга становится белой. В белой радуге часто видна одна или две темные полосы (дополнительные радуги). Белые радуги очень редки, я их ни разу не видел. А вот мой ученик, Карл Уэльс, в середине 1970-х годов прислал мне фотографии нескольких красивых белых радуг. Он сделал фото в летнее время в два часа ночи (да, в два ночи) с Ледяного острова Флетчера, то есть с огромного дрейфующего айсберга (площадью 5 × 11 километров). На тот момент айсберг находился в 500 километрах от Северного полюса.