Текст книги "Девять цветов радуги"
Автор книги: Александр Штейнгауз
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 23 страниц)
Александр Штейнгауз
ДЕВЯТЬ ЦВЕТОВ РАДУГИ
Большая часть прохладов и утех в жизни нашей от цветов зависит. Красота лица человеческого, одежды и другие украшения и утвари, приятность многоразличных минералов и драгоценных камней, потом животных разного рода, наконец все сияние благоприятного и прекрасного солнца, все, что оно в своем великолепии по расцветающим полям, в лесах и морях производит, – все сие не достойно ли внимания нашего?..
Что ж о таковом безмерном света океане представлять себе те должны, которые во внутреннее натуры святилище взирают любопытным оком и посредством того же света большую часть других естественных таинств усердствуют постигнуть?
Ломоносов. «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее…»
СВЕТ
В создании физической теории существенную роль играют фундаментальные идеи, а не формулы. Физические книги полны сложных математических формул. Но началом физической теории являются мысли и идеи, а не формулы.
А. Эйнштейн, Л. Инфельд. «Эволюция физики»
Сколько же все-таки цветов в радуге?
Вовсе не семь, как всегда говорят, и не девять, как утверждает название книги, а намного больше, потому что каждый цвет плавно переходит в соседний, образуя бесчисленное множество оттенков. Их глаз человека – необыкновенно чувствительный прибор – может различать в спектре более сотни.
Если же не говорить об оттенках, а лишь об основных цветах, то их действительно только семь: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
Значит, название книги неправильное?
Нет, правильное. Потому что в радуге есть еще две полосы, окаймляющие ее сверху и снизу. Одна полоса лежит за фиолетовой, а другая – за красной границами видимого участка радуги. Их не может заметить глаз, так как он нечувствителен к ним, но они, несмотря на это, существуют и могут быть обнаружены различными способами. Та полоса, что находится за фиолетовой границей, обязана своим существованием ультрафиолетовым лучам, а та, что за красной, – инфракрасным.
Вот наличие-то этих полос в радуге и оправдывает название книги.
Наш глаз нечувствителен к таким лучам, он не видит их; и, находясь в закрытом помещении, освещенном либо инфракрасными, либо ультрафиолетовыми лучами, человек будет думать, что вокруг кромешная темнота. Однако это не так: свет в помещении есть, только необычный – черный свет. Черный потому лишь, что мы не видим его. Но, например, инфракрасные лучи можно почувствовать. Если их интенсивность будет достаточной, кожа ощутит тепло, ибо именно эти лучи переносят его, за что их часто называют тепловыми.
Могут возникнуть и действительно возникают вопросы: зачем считаться с ультрафиолетовыми, инфракрасными лучами, какое они в этом случае могут иметь значение и стоит ли вообще говорить о них?
Оказывается, стоит. Потому что наука и техника уже неплохо освоили их, и в будущем даже в повседневной жизни обойтись без них будет так же невозможно, как теперь невозможно жить без видимого света.
Кусок стекла
Уже десятки веков прошли с тех пор, как люди научились варить стекло и с помощью длинных трубок выдувать из расплавленной, чуть светящейся массы тонкостенные, разнообразные по форме, прозрачные сосуды.
Стекло не сразу научились делать хорошим: оно не было ни чистым, ни достаточно прозрачным, в нем часто встречались темные крупинки, пузырьки и другие изъяны. Время шло, и шаг за шагом люди постигали тайны производства стекла, его качество становилось все лучше и лучше, и, что не менее важно, стало возможным приготавливать довольно крупные куски, в которых почти не оказывалось дефектов.
Именно из таких кусков, чистых и однородных по составу, можно было изготавливать линзы. Первые линзы были созданы в начале средних веков. Предполагают, что их изобрели арабские врачи, которые в те времена уже достаточно хорошо знали строение глаза человека. Именно глаз и особенно одна из его важнейших частей – хрусталик – натолкнули на мысль отшлифовать из хорошего куска стекла подобие хрусталика – линзу.
Линзы сразу нашли применение, и, естественно, прежде всего их использовали люди с плохим зрением. Лишь немногие могли позволить себе покупку этих спасительных, но очень дорогих стекол. Однако их счастливые обладатели не могли пользоваться ими в полной мере – еще не была изобретена оправа для очков.
Ее изобрели лишь в 1350 году, по-видимому в Италии. Вот тогда-то и появились очки – первый оптический прибор.
Хотя в те далекие времена только немногие умели читать и писать и, казалось бы, не должны были особенно утруждать свои глаза, все же спрос на очки был очень велик. Появились новые ремесла: шлифовальщиков линз и оптиков, изготавливающих очки.
Конечно, о законах оптики, а тем более о природе и свойствах света тогда знали крайне мало. Это не значит, что их не пытались открыть и постигнуть. С самых давних времен ученые интересовались законами оптики.
Некоторые факты были известны ученым древней Греции. Евклид знал о законе отражения света, Аристотель изучал явление преломления света, а знаменитый астроном древности Птолемей даже измерял углы падения и преломления света. Греки применяли вогнутые зажигательные зеркала.
Изучали оптику и арабские ученые: примерно девятьсот лет назад появилось целое научное исследование по оптике Ибн-аль Хайтама; оно в течение почти четырехсот лет являлось самым полным и лучшим.
Законами света занимались и многие европейские ученые средневековья. Они исследовали действие линз, пытались объяснить явление радуги; им уже были известны опыты по преломлению лучей с помощью призм, изготовленных из шлифованного стекла.
Но тем не менее до подлинной науки в современном ее понимании еще было далеко.
И все же именно куску стекла, которому умелые руки шлифовальщика придавали прозрачность и нужную форму, суждено было вызвать к жизни эту науку – науку о свете, или оптику, как ее называют ученые.
Как ни странно на первый взгляд, но крупнейшие изобретения в оптике были сделаны еще в те годы, когда эта наука только зарождалась. Речь идет об изобретении телескопа и микроскопа. Первые телескопы и микроскопы были созданы в Голландии в самом начале 1600-х годов. К тому времени в этой стране появилось много оптических мастерских, в которых работали великолепные шлифовальщики стекла и гранильщики драгоценных камней. И вот, как рассказывает легенда, в одной из таких мастерских был изобретен телескоп. Но изобрел его не оптик, не какой-нибудь ученый, а ребенок, которому разрешили поиграть с линзами. Он случайно взял две линзы и посмотрел через одну в другую. Каково же было удивление и восхищение не только его, но и всех взрослых, когда, смотря через эти стекла, они неожиданно для себя увидели, что отдаленные предметы кажутся совсем близкими, словно до них всего лишь несколько шагов!
В самом деле, тогда должно было казаться совершенно удивительным, просто-напросто волшебством, то, что далекое можно, не двигаясь с места, буквально в мгновение ока приближать к себе.
Это открытие сразу получило всеобщее признание и широкое практическое применение – мореплавателям помогали созданные на этом принципе подзорные трубы. Но не меньше моряков заинтересовались новым оптическим прибором и использовали его ученые. Еще в 1609 году итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564–1642) изготовил и применил телескоп для наблюдения неба.
Вначале телескопы были очень несовершенными инструментами. Звезды и планеты, наблюдаемые через эти телескопы, казались окрашенными по краям радужными каемками, и, чем большим пытались делать увеличение телескопов, тем заметнее становилось это окрашивание. Мастера и ученые старались разгадать природу радужных каемок, многие даже считали, что все дело в стекле, но никто до великого английского ученого Исаака Ньютона, родившегося в 1642 году, так и не сумел найти ответа.
О простых опытах, которые объяснили очень сложные явления и даже радугу
«Свет»… Произнося это слово, большинство из нас представляет себе белый солнечный или тепло-золотистый свет электрической лампы. Но можно думать совсем и о другом свете. Возможно, шофер вспомнит кроваво-красный, предостерегающий, или зеленый, спокойный, «глаз» светофора, фотолюбитель – красный фонарь, при свете которого он часами просиживает перед ванночками с проявителем и закрепителем, другие, может быть, вспомнят яркие цветные рекламы из газосветных трубок или огни фейерверка. И все будут правы, потому что свет бывает не только белым, но и цветным.
Ученые знали об этом и раньше, еще задолго до Ньютона. Но никто до него даже и не предполагал, что лучи белого света, света нашего солнца, представляют, если можно так выразиться, смесь цветных лучей– красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового и всех промежуточных цветов. Более того, было известно, что призма, помещенная на пути солнечного света, отбрасывает яркую радужную полосу. Но никому не удавалось объяснить это явление.
Вот что писал по, этому поводу сам Ньютон:
«В начале 1666 года (в это время я занимался шлифовкой стекол иных форм, чем сферические) я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с ней произвести опыты над знаменитым явлением цветов. Для этой цели, затемнив свою комнату и проделав небольшое отверстие в оконных ставнях для пропускания в нужном количестве солнечного света, я поместил призму там, где входил свет, так что он мог преломляться к противоположной стене. Зрелище живых и ярких красок, получавшихся при этом, доставляло мне приятное удовольствие».
Любой из нас может наблюдать ярко окрашенную полосу, отбрасываемую призмой на белую стену или на кусок белой бумаги. Цвета в этой полосе столь красивы, ярки и чисты, что можно буквально часами глядеть на них и наслаждаться, различая новые и новые прекрасные оттенки. Такой опыт сделать очень легко: достаточно лишь иметь призму хотя бы из испорченного полевого бинокля. Можно даже не особенно затемнять комнату, правда, при этом чистота, насыщенность и количество различаемых цветов значительно уменьшатся.
Ньютон проводил опыт с солнечным светом не ради простого удовольствия. Главной его целью было выяснить, почему призма, поставленная на пути солнечных лучей, преобразует белый солнечный свет в спектр – цветовой ряд, полосу, в которой все цвета следуют один за другим в неизменном, всегда повторяющемся порядке.
Ему пришлось проделать огромную работу. И если учесть, что она проводилась почти триста лет назад с помощью всего лишь нескольких призм, линз и самых незамысловатых приспособлений, то кажутся совершенно поразительными выдумка и мастерство Ньютона-экспериментатора.
На основе проведенных опытов Ньютон открыл неизвестные ранее законы, которым подчиняется свет, и первым попытался научно объяснить его природу.
Встречая на своем пути две среды, отличающиеся друг от друга оптическими свойствами (например, воздух и стекло или воздух и воду), лучи света изменяют свое направление при переходе из одной в другую– преломляются. Это преломление тем больше, чем сильнее отличаются по своим свойствам среды, через которые проходит свет. Мы часто встречаемся с этим явлением в повседневной жизни. Достаточно лишь напомнить о ложке, опущенной в стакан с водой. Кажется, что она имеет резкий излом как раз на границе воды и воздуха.
О преломлении света было известно и до Ньютона. Но никто не знал, как преломляются лучи разного цвета.
Своим первым опытом (всего он провел 33 различных опыта, повторяя каждый по многу раз) Ньютон установил, что «лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости». А третий опыт позволил ему сделать следующее важное заключение: «Солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости».
Вот выдержки из описания опыта, сделанного самим Ньютоном:
«Я поместил в очень темной комнате у круглого отверстия, около трети дюйма шириною, в ставне окна стеклянную призму, благодаря чему пучок солнечного света, входившего в это отверстие, мог преломляться вверх к противоположной стене комнаты и образовывал там цветное изображение солнца. Ось призмы (то есть линия, проходящая через середину призмы от одного конца к другому параллельно ребру преломляющего угла) была в этом и следующих опытах перпендикулярна к падающим лучам. Я вращал медленно призму вокруг этой оси и видел, что преломленный свет на стене или окрашенное изображение солнца сначала поднималось, затем начало опускаться. Между подъемом и спуском, когда изображение казалось остановившимся, я прекратил вращение призмы и закрепил ее в этом положении так, чтобы она не могла более двигаться…
Поместив призму в это положение, я заставил преломленный свет падать перпендикулярно на лист белой бумаги на противоположной стене комнаты и наблюдал фигуру и размеры солнечного изображения, образованного светом на бумаге.
Это изображение спектра РТ было окрашено красным в наименее преломленном конце Т, фиолетовым – в наиболее преломленном конце Р и желтым, зеленым, синим – в промежуточном пространстве».
Опыт Ньютона. Проходя через первую призму, солнечный свет преобразуется в спектр. Отверстие в экране, помещенном между призмами, пропускает лучи только одного цвета. Поэтому свет, проходя через вторую призму, уже не образует расходящегося пучка лучей.
В одном из дальнейших положений, сформулированных Ньютоном на основании своих опытов, говорится следующее:
«Белизна и все серые цвета между белым и черным могут быть составлены из цветов, и белый солнечный свет составлен из всех первичных цветов, смешанных в должной пропорции».
Иными словами, Ньютон доказал то, что теперь известно всякому: солнечный свет состоит из смеси различных чистых цветов. Не менее существенно и другое: однородный свет (то есть «одноцветный» или «монохроматический», как его называют оптики), проходя через призму или линзу, преломляется уже «правильно». Луч монохроматического света уже не расщепляется при преломлении, и потому изображение в монохроматических лучах будет всегда четким. Что же касается лучей белого света, то, проходя через преломляющие среды, они расщепляются. И именно этим объяснялось, почему в микроскопах, телескопах и других оптических инструментах получалось окрашенное изображение.
Ньютон прямо говорил об этом:
«Усовершенствованию телескопов препятствует различная преломляемость света».
И только спустя много лет ученые нашли способы устранения окрашивания изображений в оптических приборах, содержащих линзы.
За счет различной преломляемости лучей разного цвета возникает и радуга.
Еще задолго до Ньютона некоторые ученые правильно считали, что она возникает вследствие преломления света в каплях падающего дождя. Такого мнения придерживался, например, знаменитый французский ученый Рене Декарт, однако объяснить появление различных цветов он не смог. Первым, кто дал верный ответ, был Ньютон. И это не представляло для него особых трудностей. Ведь ключ к разгадке – знание законов преломления световых лучей разного цвета – был у него в руках.
Луч солнца, встречаясь с дождевой каплей, очень близкой по форме к шару, проникает в нее и преломляется. Так как вода оптически более плотная среда, чем воздух, луч, войдя в каплю, «прижимается» к перпендикуляру, восстановленному в точке падения. Дойдя до противоположной стороны капли, он выходит из нее, но не полностью – часть света отражается обратно и выходит из капли примерно с той же стороны, что вошла. При этом (в силу некоторых причин) наибольшее количество света выходит под углом в 138° (42°) к первоначальному направлению солнечных лучей. Именно этот свет и видит наблюдатель, если он находится в таком месте, куда свет приходит.
Почему же радуга имеет вид дуги, а не части диска?
Это объясняется тем, что в глаз наблюдателя попадает свет только от тех капель, направление на которые совпадает с обратным путем световых лучей, вышедших из капли, то есть соответствует углу в 42° по отношению к направлению лучей, идущих от солнца. Все точки пространства (в данном случае – это капли), которые видны наблюдателю под одним и тем же углом, должны лежать на окружности. Иными словами, геометрическое место точек, видимых под определенным углом, представляет собой окружность. Именно часть окружности, а не часть диска мы видим, наблюдая радугу.
Почему радуга цветная?
Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно лишь вспомнить законы, установленные Ньютоном: «Солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости» и «лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степеням преломляемости».
Поэтому указанные значения углов 138° и 42° верны только для какого-то одного цвета, для всех других цветов углы будут отличаться.
Правда, отличие не будет большим, потому что степени преломляемости для лучей разного цвета отличаются не так уж сильно. Но этого отличия достаточно, чтобы радуга стала разноцветной.
Часто можно наблюдать не одну, а сразу две радуги: одну над другой, причем верхняя, как правило, гораздо тусклее и шире нижней. Она получается в том случае, когда свет отражается внутри капли не один, а два раза и после этого выходит в воздух. Свет, вышедший из капли после двух отражений, слабее, так как и при втором отражении часть света не отразилась, а вышла из капли. Поэтому верхняя радуга слабее. Свет от нее приходит к глазу наблюдателя под углом в 129° (51°) к солнечным лучам. Средний угловой размер полной радуги составляет 102°, в то время как у нижней радуги этот размер равен 84°.
Путь лучей в дождевой капле. В нижней капле свет отражается только один раз и выходит обратно. В верхней капле свет, перед тем как выйти в воздух, отражается дважды.
Попробуйте проверить свою наблюдательность. Постарайтесь вспомнить, каков порядок цветов в нижней и верхней радугах, считая от нижней границы нижней радуги.
Не многие сумеют сделать это правильно. Цвета следуют в таком порядке: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Далее идет полоса, в которой глаз не различает цветов, иногда она даже кажется более темной, чем остальная часть неба, на фоне которого видны радуги. За этой полосой начинается верхняя радуга; в ней порядок цветов обратный – от красного к фиолетовому.
Фиолетовый цвет радуги, особенно верхней, имеет розоватый оттенок и отличается от фиолетового, наблюдаемого в темной комнате от призмы. Это объясняется тем, что на него накладывается неразложенный, белый солнечный свет. От этого фиолетовый тон блекнет, приобретает красноватый оттенок.
Говорят, у англичан есть старинное поверье: если сумеешь дойти до подножия радуги, найдешь горшок с золотом. Но подобно тому как невозможно дойти до горизонта, нельзя дойти и до радуги. Есть и другая причина, по которой ни одному англичанину еще не удалось разбогатеть подобным образом, – радуга не имеет подножия. Она вовсе не дуга, а полная окружность.
Взаимное расположение наблюдателя, солнца и радуги.
Правда, находясь на земле, мы никогда не видим ее целиком – нижняя часть в лучшем случае (при восходе или заходе солнца) оказывается на 42° ниже горизонта. Но, если дождь идет из туч, поднявшихся на высоту 5–6 километров, можно с вершины горы высотой 2,5–3 километра, из кабины самолета или какого-нибудь другого летательного аппарата увидеть полную радужную окружность. Более того, так как центр радуги находится на линии «солнце – глаз наблюдателя», а солнце – за его спиной, то в благоприятном случае точно в центре радуги можно увидеть тень горы, самолета и… свою собственную.
Говорят были счастливцы, которым удавалось наблюдать столь великолепное зрелище.
Возможно, некоторые задумывались над тем, отчего в наших широтах радугу можно увидеть либо утром, либо к вечеру, то есть только на западном или восточном небосклоне? Ответ прост: чем выше поднимается солнце, тем ниже радуга уходит за горизонт или крыши домов и, наоборот, чем ниже солнце, тем выше и величественнее радуга.
Прежде чем перейти к следующему разделу, стоит сказать еще об одном интересном факте. Оказывается, яркость цветов в радуге зависит от величины дождевых капель. Если они крупные, 1–2 миллиметра в диаметре, то фиолетовая и зеленая полосы очень яркие, красная тоже хорошо заметна, но голубая видна слабо. Если капли меньшего размера, яркость красного цвета убывает. При диаметре капель 0,2–0,3 миллиметра он исчезает вовсе, хотя остальные цвета видны хорошо. При еще меньших каплях радуга расширяется и блекнет, и при совсем мелких капельках, порядка 0,05 миллиметра, она становится белой.
Однако, говоря о зависимости яркости цветов радуги от размера капель, мы забегаем вперед – при жизни Ньютона это явление не могло еще быть объяснено.
