Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Сложный глаз насекомых состоит из множества структурных единиц, или омматидиев, через которые проходит свет и в которых начинается обработка зрительной информации. Насекомое видит мозаику из изображений, создаваемых омматидиями. У многих насекомых внешняя поверхность омматидия гладкая. Но у некоторых из них она сплошь покрыта крохотными коническими бугорками. Какова же их функция? Физический эффект, объясняющий, зачем нужны эти бугорки, имеет отношение и к поглощающим поверхностям самолетов-невидимок, и к покрытиям окон с двойными и тройными стеклами.

ОТВЕТ • Одна из характеристик оптических свойств материала — коэффициент преломления, определяющий скорость света в данном материале. Когда свет проходит через поверхность, разделяющую среды с разными коэффициентами преломления, он частично отражается от этой пограничной поверхности, а оставшаяся часть проходит через нее. Например, если луч света направить на слой стекла, часть света отразится от поверхности раздела «воздух — стекло».

Поскольку коэффициент преломления омматидия больше, чем воздуха, на границе между ним и воздухом происходит частичное отражение света, и не весь падающий на глаз свет принимает участие в создании изображения. А отражательная способность омматидиев с бугорками гораздо меньше, и поэтому в глаз проникает гораздо больше света. Преимущество такой неровной поверхности связано с формой бугорков: на выступающем конце они уже, чем у основания (рис. 6.44). При наличии выступов световая волна падает не на гладкую поверхность, составленную из омматидиев, а переотражается с выступа на выступ — это уменьшает итоговое отражение, и внутрь глаза попадает больше света.

Рис. 6.44 / Задача 6.117. Бугорки на поверхности глаза насекомого уменьшают количество отраженного от глаза света.

Подобное решение применяется в строительстве. В регионах с холодным климатом любое отражение от стекла означает, что в помещение поступает меньше света, а значит, свет меньше обогревает его. В этих случаях, чтобы уменьшить отражение, поверхность одного или нескольких оконных стекол покрывают неровной пластиковой пленкой.

Затруднить обнаружение самолета-невидимки с помощью радара можно, если на его поверхности есть выступы, обеспечивающие поглощение радиоизлучения в области спектра обнаружения. Когда поверхность самолета ровная, поглощается только часть сигнала радара, а оставшаяся часть отражается. (Сходная ситуация возникает, когда видишь блики света на черном стекле: хотя существенная часть падающих лучей поглощается, отраженного света достаточно, чтобы увидеть стекло.) На поверхности самолета-невидимки имеются шероховатости, расстояние между которыми меньше длин волн радара, лежащих в микроволновом диапазоне. Излучение радара, падающее на неровную поверхность, постепенно поглощается, и отражение в направлении детектора радара уменьшается.

В густой, почти непроницаемой тени тропического леса растения получают очень мало света. Именно это может быть причиной того, что некоторые растущие здесь папоротники и цветковые растения переливаются синим и зеленым цветом, а у других растений листья имеют бархатистый отлив из-за выпуклой формы эпидермальных клеток. Как в условиях плохой освещенности эти свойства помогают растениям выжить?

ОТВЕТ • Сине-зеленые переливы на поверхности папоротников связаны с интерференцией света, отраженного от расположенных друг над другом слоев целлюлозных волокон с разными оптическими характеристиками, то есть с разным коэффициентом преломления. Толщина этих слоев тоже разная. Такие слои ведут себя как набор тонких пленок. Отраженные световые волны с частотами из синей области видимого спектра имеют приблизительно одинаковую фазу и усиливают друг друга. Поэтому мы видим сине-зеленый отлив. Проходящие через слои волны света из красной области спектра тоже распространяются с почти одинаковыми фазами, усиливая друг друга, и красный свет попадает внутрь листьев (к хлоропластам, в которых происходит фотосинтез). Такое строение покровов позволяет растению поглощать больше света по сравнению с тем, которое оно поглотило бы в отсутствие интерференции. Некоторые растения имеют переливчато-синие плоды — тоже благодаря наличию тонких слоев, на которых происходит интерференция света.

Выпуклые эпидермальные клетки на бархатно-блестящих листьях имеют форму линз, фокусирующих свет на расположенных под ними хлоропластах. Это позволяет растениям выжить в условиях плохой освещенности.

Правительства всех стран стремятся быть на шаг впереди фальшивомонетчиков, быстро осваивающих новейшие технологии для подделки бумажных купюр. Для пресечения их деятельности используются, в частности, защитные нити, специальные водяные знаки (и то и другое можно увидеть, посмотрев купюру на просвет) и микропечать (микротекст выполнен точками, настолько маленькими, что их нельзя воспроизвести с помощью ксерокса). Однако труднее всего фальшивомонетчикам воспроизвести изменения цвета надписей на банкнотах, выполненных цветопеременной краской. Например, на лицевой стороне 20-долларовой американской банкноты в нижнем правом углу изображено число 20. Надпись выполнена цветопеременной краской. Если смотреть на нее сверху вниз, это число будет красным или красно-желтым. Если же купюру наклонить и посмотреть на нее под углом, оно станет зеленым. Копировальная машина может повторить цвет рисунка, соответствующий только одному углу зрения, а значит, воспроизвести изменение цвета она не может. Как же чернила меняют цвет?

ОТВЕТ • Цветопеременная краска, которую используют на банкнотах, меняет цвет в результате интерференции на прозрачных тонкопленочных включениях — чешуйках, взвешенных в обычных чернилах. Свет, попавший в обычные чернила над включениями, проходит через тонкие слои хрома (Cr), фторида магния (MgF2) и алюминия (Al). Слои хрома выполняют роль слабо отражающих свет зеркал, слои алюминия — роль зеркал, отражающих получше, а слои MgF2 «работают» как мыльная пленка. В результате световые волны, отраженные вверх от каждой из границ между слоями, опять проходят через обычные чернила и интерферируют, достигая глаз наблюдателя.

В зависимости от толщины слоев MgF2 конструктивная интерференция, при которой волны усиливают друг друга, имеет место для волн разной длины (разных цветов). На американских банкнотах, напечатанных с использованием цветопеременной краски, толщина слоя MgF2 выбрана так, что при взгляде сверху происходит конструктивная интерференция волн, соответствующих красному или красно-желтому цвету. Когда банкноту наклоняют, наклоняется и каждое включение. Тогда условия конструктивной интерференции волн, достигающих наблюдателя, выполняются для волн, соответствующих зеленому цвету. Переход к другим длинам волн происходит из-за того, что свету требуется пройти более длинный путь через наклонные включения. Это значит, что, меняя угол зрения, наблюдатель меняет цвет изображения. В других странах используют другие тонкопленочные включения для изменения цвета на банкнотах. В наши дни меняющие цвет чернила и краски доступны для коммерческого использования.