Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

ОТВЕТ • Узоры из пятен, их называют спеклами (от англ. speckle — «крапинка», «пятнышко»), являются результатом интерференции световых волн, отраженных от поверхности. Волны, падающие на поверхность, имеют примерно одинаковую фазу, но из-за шероховатости поверхности на микроскопическом уровне для отраженных волн это условие не выполняется. Итак, световые волны, отраженные от углублений на поверхности, проходят чуть более длинный путь до глаза наблюдателя, чем волны, отраженные от соседних приподнятых участков. Таким образом, в зависимости от условий отражения в данном месте отраженные световые волны приходят к глазу наблюдателя либо в фазе, либо не в фазе. Это значит, что они либо усиливают, либо гасят друг друга. Короче говоря, некоторые места на поверхности яркие, а другие нет.

При свете лампы подобные узоры из пятнышек не видны, поскольку испускаемый ею свет — результат случайного излучения электромагнитных волн атомами. Это значит, что освещающие поверхность световые волны в один момент времени могут быть в фазе, а в следующий момент — в противофазе. При этом узоры из пятнышек меняются так быстро, что заметить их невозможно, и, следовательно, мы видим просто равномерно освещенную поверхность. Чтобы увидеть пятнистую структуру, нужен когерентный источник света (излучающий волны примерно с одинаковым соотношением фаз). На практике это означает, что нужно использовать свет лазера.

Если зрение нормальное, кажущееся движение узора из пятнышек зависит от цвета, падающего на поверхность света. Это связано с тем, что в глазах световые волны разных цветов преломляются по-разному и поэтому кажется, что их источники находятся на разных расстояниях. Некоторые исследователи считают, что пятнышки, созданные лазером, можно использовать для проверки зрения, когда пациент, например маленький ребенок, не может назвать буквы на обычной таблице для проверки зрения.

«Танец» цветных пятнышек на молоке, вероятно, связан с движениями двух типов. Во-первых, по краю, где глубина молока маленькая, испарение приводит к возникновению циркуляции жидкости. Во-вторых, даже в отсутствие циркуляции молекулы участвуют в броуновском движении, сталкиваясь случайно друг с другом и с протеиновыми и жировыми глобулами молока. Слой молока должен быть тонким, иначе до того, как выйти из молока, свет рассеивается много раз, фазы волн становятся несогласованными, и не возникает интерференционной картины. В этом случае молоко кажется просто белым.

Возможно, подвижные пятнышки на боку яблока или помидора обусловлены слабым движением содержащихся в шкурке окрашенных образований (пластид). При их движении расстояние между ними и наблюдателем меняется, что изменяет картину интерференции рассеянных в направлении наблюдателя световых волн, а значит, и связанного с ней узора из пятнышек.

Если при люминесцентном освещении вращать какой-нибудь предмет, например монету, можно заметить на ней бледные синие и желтые цвета. Проще всего это показать, если на темном фоне освещать вращающуюся монету одной люминесцентной лампой. Те же цвета проступают и на колеблющейся при люминесцентном освещении струне: ее размытые очертания бледно окрашены. Тонкий слой воды вокруг того места, где струя из крана ударяется о раковину, тоже выглядит цветным. С чем связаны эти цветовые эффекты?

ОТВЕТ • При работе люминесцентной лампы в заполненной парами ртути трубке происходит электрический разряд. При соударении с электронами атомы переходят в возбужденное состояние, а затем быстро возвращаются в основное состояние, излучая синий и зеленый свет, а также свет в ультрафиолетовом диапазоне. Ультрафиолетовое излучение поглощается люминофором, покрывающим трубку изнутри, затем в течение короткого времени он испускает световые волны. Когда хотят, чтобы свет лампы был белым, выбирают люминофор, который излучает главным образом волны, соответствующие красному и желтому цветам: смешиваясь со светом, исходящим от атомов ртути, они дают белый свет.

Глаз видит, что от лампы все время исходит белый свет. Однако через трубку идет переменный ток, при частоте 50 Гц направление тока изменяется 100 раз в секунду, излучение синего и зеленого света атомами ртути оказывается непостоянным. В промежутках между моментами активной эмиссии ртути от трубки исходит только красный и желтый свет, обязанный излучению люминофора. Поэтому при освещении вращающегося предмета люминесцентным светом отраженный от него свет при разных ориентациях попеременно меняется, и вы периодически видите разные цвета — от почти белого до красного и желтого. Можно сказать, что вращающееся зеркало выделяет из потока света моменты преобладания того или иного излучения. Примерно так же обстоит дело с отражениями от колеблющейся струны и от слабых волн на поверхности воды вблизи того места, где струя из крана ударяет о раковину.

Почему поляризационные солнцезащитные очки, линзы которых представляют собой поляризационный светофильтр, позволяют блокировать отраженный от полотна дороги слепящий свет лучше, чем простые темные очки? Почему поляризационные очки настолько улучшают видимость под водой, что, например, позволяют рыбаку заметить рыбу?

Снимите очки. Держа одно стекло перед глазом, закройте другой глаз и, направив взгляд вдоль наклонной линии, посмотрите на лужу воды. Вращая стекло относительно направления взгляда, можно увидеть, что при каких-то углах поворота (ориентациях фильтра) лужа исчезает. С чем это связано?

ОТВЕТ • Свет — это электромагнитная волна, представляющая собой колебания векторов электрического и магнитного полей. В световой волне эти вектора всегда направлены перпендикулярно направлению распространения волны. Если для наглядности заменить электрическое и магнитное поле короткими стрелочками, волну можно представить себе как стебель розы с торчащими в разные стороны шипами. Поляризация света (или ее отсутствие) относится к ориентации электрического поля, иначе говоря, векторов-стрелочек, представляющих собой электрическое поле. Поле не поляризовано, если эти стрелочки могут быть ориентированы в произвольном направлении, перпендикулярном направлению распространения света. Если свет поляризован, все стрелочки ориентированы вдоль одной линии: либо в одном направлении, либо в противоположном. Поляризованный свет встречается нечасто: свет от большинства обычных источников, включая солнце, не поляризован.

Отражаясь от некоторых поверхностей, неполяризованный свет становится поляризованным. Например, если неполяризованный солнечный свет отражается от тротуара или воды, он, при определенном угле падения, становится горизонтально поляризованным. Это означает, что электрическое поле световых волн лежит в горизонтальной плоскости (короткие стрелочки-вектора направлены горизонтально). Если глаза наблюдателя воспринимают этот свет, в месте отражения на тротуаре или на воде он видит яркое пятно — ослепляющий, резкий свет. Такой свет утомляет глаза и ухудшает видимость, например при вождении автомобиля.

Отраженный свет становится не таким ярким, когда вы надеваете обычные солнцезащитные очки, в которые вставлены затемненные пластиковые диски. Однако такие очки ухудшают обзор, затемняя все, что вы видите перед собой через лобовое стекло, а это может мешать следить за встречным транспортом. Другое дело поляризационные очки. Они поглощают горизонтально поляризованный свет и тем самым уменьшают блики от покрытия дороги или воды. Поскольку такие стекла поглощают часть излучения, они тоже ухудшают обзор, но в гораздо меньшей степени. Поэтому вы ясно и четко, без обычных слепящих бликов, видите дорогу перед собой. В таких очках можно разглядеть даже рыбу под водой, до того скрытую яркими бликами на воде.