Вікно моєї ванної виходить на південь, але через сусідню будівлю світло аж ніяк не може потрапити у ванну строго з півдня. Тому сонячне проміння падає туди тільки приблизно з південного сходу. Коли я вперше побачив веселку в душі, я приймав його дуже пізно, близько десятої ранку. Щоб ви побачили веселку в душі, у вашій ванній має бути вікно, крізь яке сонячне світло зможе потрапити на водяні бризки. Насправді, якщо з вікна ванної ніколи не видно сонця, немає сенсу шукати веселки в душі — їх просто там не буде. Сонячне світло повинно мати змогу досягти вашого душу. І навіть якщо воно таки потрапляє туди, це ще не є гарантією, що ви побачите веселку, бо потрібна достатня кількість крапель води, розташованих під кутом 42 градуси від уявної лінії, а це не завжди можливо.
Очевидно, всі ці умови рідко коли виконуються, але чому б не спробувати? І якщо з’ясується, що сонячне світло потрапляє у ваш душ саме під кінець дня — що ж, тоді ви можете подумати про зміну графіка ранкового душу.
Чому моряки одягають сонцезахисні окуляри
Коли вирішите піти на полювання на веселки, обов’язково зніміть сонцезахисні окуляри, якщо вони поляризовані, інакше ви можете все проґавити. Зі мною колись стався подібний кумедний випадок. Як я вже розповідав, я люблю прогулянки по пляжу на Плам-Айленді. І я вже пояснював, як можна побачити маленькі веселки в бризках хвиль. Якось давно я ішов уздовж пляжу. День видався сонячний, було вітряно, і від хвиль, що накочувалися на берег, здіймалося безліч дрібних бризок, тому я часто бачив невеличкі фрагменти веселок, про які вже згадував у цьому розділі. Я став показувати їх своєму другу, який гуляв разом зі мною, але він сказав, що нічого такого не бачить. Цей діалог повторювався, певно, з півдесятка разів. «Он вона!» — кричав я дещо роздратовано. «Нічого не бачу!» — вигукував він у відповідь. Але потім мені сяйнула думка, і я попросив його зняти сонцезахисні окуляри й показати мені — звісно, вони виявилися поляризованими. Без окулярів він побачив веселки й навіть став показувати їх мені. У чому була річ?
Веселки за своєю природою дещо дивні, тому що майже повністю складаються з поляризованого світла. Мабуть, термін «поляризований» відомий вам як характеристика сонцезахисних окулярів. З наукового погляду він не зовсім точний, але спершу я поясню, що таке поляризоване світло, а тоді повернемося до сонцезахисних окулярів і веселок.
Хвилі виникають унаслідок коливання «чогось». Унаслідок коливання камертона або скрипкової струни утворюються звукові хвилі, про які я розповім у наступному розділі. Світлові хвилі з’являються через коливання електронів. Хвилі, в яких усі коливання відбуваються в одному напрямку, перпендикулярному до напрямку їхнього поширення, називають лінійно поляризованими. Для простоти я далі опускатиму слово «лінійний», тому що в цьому розділі йтиметься лише про такий вид поляризованого світла.
У звукових хвилях поляризація неможлива, тому що напрямок їхнього поширення збігається з напрямком руху молекул повітря в поздовжніх механічних хвилях. Подібні хвилі можна створити за допомогою іграшки-пружинки «слінкі». Натомість у світлі може відбуватися поляризація. Сонячне світло або світло від лампочки у вас удома — приклади неполяризованого світла. Утім його можна легко перетворити на поляризоване. Один зі способів — купити так звані поляризовані сонцезахисні окуляри. Тепер ви розумієте, чому ця назва не зовсім правильна. Насправді це поляризаційні окуляри. Або можна купити лінійний поляризатор (винахід Едвіна Ленда, засновника компанії Polaroid) і поглянути на світ крізь нього. Поляризатори Ленда, зазвичай завтовшки 1 міліметр, мають різні розміри. Майже все світло, що проходить крізь такі поляризатори (включно з поляризаційними окулярами), стає поляризованим.
Якщо два прямокутні поляризатори (я роздаю їх усім студентам, щоб вони могли експериментувати з ними вдома) покласти один на одного під прямим кутом, вони взагалі не пропускатимуть світло.
Природа створює багато поляризованого світла і без допомоги поляризаторів Ленда. Світло з блакитного неба, що падає під прямим кутом до сонця, майже повністю поляризоване. Як про це дізнатися? Подивіться на небо (в будь-яку точку під прямим кутом до сонця) через один лінійний поляризатор і, не перестаючи дивитися, повільно обертайте його. Ви помітите, що яскравість неба зміниться. Коли небо стане майже повністю темним, світло із цієї частини неба буде практично повністю поляризованим. Таким чином, щоб розпізнати поляризоване світло, достатньо одного поляризатора (хоча значно цікавіше, якщо їх у вас два).
У розділі 1 я описував свій демонстраційний дослід, у якому біле світло, розсіюючись у сигаретному димі, стає блакитним. Я влаштовую все так, що блакитне світло розсіюється в аудиторію приблизно під прямим кутом: воно також майже повністю поляризоване. Студенти можуть переконатися в цьому за допомогою поляризаторів, які вони завжди беруть із собою на лекції.
Сонячне світло, що відбивається від води або скла, також може стати майже повністю поляризованим, якщо падає на поверхню під певним кутом, який називають кутом Брюстера. (Девід Брюстер — шотландський фізик ХІХ століття, який багато працював у царині оптики). Саме тому човнярі й моряки одягають поляризаційні сонцезахисні окуляри — вони не пропускають більшість світла, що відбивається від поверхні води.
Я завжди ношу в гаманці хоча б один поляризатор — так-так, завжди — і закликаю до цього студентів.
Чому я розповідаю вам усе це про поляризоване світло? Тому що світло від веселки майже повністю поляризоване. Світло поляризується, коли відбивається всередині краплі, а це, як ви тепер знаєте, необхідна умова для виникнення веселки.
На лекції я створюю особливу веселку (за допомогою однієї, але дуже великої краплі води), яка дозволяє мені продемонструвати, що: 1) червона смуга розташована із зовнішнього краю веселки, 2) фіолетова — із внутрішнього, 3) світло всередині дуги веселки біле і яскраве, на відміну від світла за дугою, а також 4) світло від веселки поляризоване. Остання особливість веселок надзвичайно мене захоплює (і це одна із причин, чому я завжди ношу із собою поляризатори). Ви можете переглянути цей чудовий експеримент на відео з моєї лекції: cutt.ly/awrxgJt.
Окрім веселки
Веселки — найвідоміші та найбарвистіші витвори атмосфери, проте аж ніяк не єдині. Існує ще сила-силенна атмосферних явищ, деякі з них досить дивні й надзвичайні, а деякі — глибоко незбагненні. Але поки що не прощаймося з веселками й погляньмо, куди вони нас приведуть.
Якщо уважно придивитися до дуже яскравої веселки, часом можна помітити з її внутрішнього краю кілька то яскравіших, то темніших смуг. Їх називають додатковими веселками (вони зображені на фотографії у вклейці). Щоб пояснити це явище, нам доведеться відмовитися від уявлень Ньютона про природу світлових променів. Він вважав, що світло складається із частинок, і коли окремі промені проникають у дощову краплю, заломлюються в ній і виходять з неї, вони поводяться як маленькі частинки. Але ми зможемо пояснити додаткові веселки, тільки якщо уявлятимемо світло як хвилі. І щоб виникла додаткова веселка, світлові хвилі мають пройти крізь дуже маленькі краплі — діаметром менше міліметра.
Хвильову природу світла продемонстрував один з найважливіших у всій фізиці експериментів, який зазвичай називають експериментом з подвійною щілиною. Орієнтовно в 1801–1803 роках англійський учений Томас Юнг, розщепивши вузький пучок світла на два, побачив на екрані візерунок (суму цих двох пучків), який можна пояснити, тільки якщо припустити, що світло складається із хвиль. Згодом цей експеримент проводили інакше, використовуючи дві щілини (або мікроотвори). Для подальших пояснень уявімо, що вузький пучок світла падає на два близько розташовані крихітні отвори в аркуші тонкого картону. Світло, проходячи крізь ці отвори, потрапляє на екран. Якби світло складалося із частинок, кожна з них пройшла б або крізь один отвір, або крізь другий (вона не може пройти крізь обидва), і тому ви побачили б на екрані дві яскраві точки. Утім ми спостерігаємо зовсім інший малюнок. Він точно повторює те, що було б, якби на екран потрапили дві хвилі — одна вийшла з одного мікроотвору, і водночас така сама — із другого. Додавання хвиль відбувається за принципами так званої інтерференції. Коли гребені хвиль з одного отвору збігаються із западинами хвиль із другого, хвилі гасять одна одну. Це явище має назву послаблювальна (або деструктивна) інтерференція, і місця на екрані, де це спостерігають (і їх кілька), залишаються темними. Хіба це не чарівно — світло плюс світло дає темряву! І навпаки, в інших місцях екрана, де дві хвилі синхронізовані одна з одною, а їхні найвищі й найнижчі точки збігаються, відбувається підсилювальна (або конструктивна) інтерференція, і ми в результаті отримаємо яскраві точки (їх теж буде кілька). Таким чином, ми побачимо на екрані розсіяний малюнок з темних і світлих точок, і саме це спостерігав Юнг під час свого експерименту з розщеплення світлового пучка.
