Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Цвет большинства твердых тел определяется селективным поглощением света других цветов в объеме тела. Если же материал размолоть в порошок, падающий свет рассеивается на огромном количестве образовавшихся поверхностей, и только небольшая его часть проходит внутрь гранул, испытывает селективное поглощение, а затем доходит до наблюдателя.

Кусок чистого стекла прозрачен — на обеих поверхностях стекла какая-то часть световых волн отражается, но большая их часть проходит через стекло. Каждая молекула внутри стекла рассеивает проходящий свет во всех направлениях, но только интерференция рассеянных вперед волн является конструктивной (волны усиливают друг друга). Интерференция световых волн, рассеянных в других направлениях, деструктивная (волны гасят друг друга).

Если стекло разбить и собрать в кучку мелкие кусочки, свет отражается много раз от большого числа образовавшихся поверхностей, после чего большая его часть выходит обратно из осколков. Свет, прошедший через кучу осколков стекла насквозь, много раз отражается и преломляется в случайных направлениях. Следовательно, если такой свет видит наблюдатель, воспроизвести образ источника света ему не удается, а это означает, что разбитое стекло непрозрачно.

По тем же причинам отдельный кристаллик соли прозрачен, но, если кристалликов много, образуется слишком большое количество поверхностей и все вместе они непрозрачны.

Почему у черного бархата одна сторона яркая, а другая матовая? Поскольку черный материал поглощает свет всех цветов, как черный бархат может блестеть? Почему черное лаковое покрытие блестит? Почему при изготовлении зеркал используют металлическое покрытие, а, например, не бумажное?

ОТВЕТ • На блестящей стороне черного бархата имеется регулярная структура из параллельных бороздок. Если смотреть на кусок бархата вдоль линии, перпендикулярной направлению бороздок, виден свет, отраженный от их сторон. Ткань будет блестеть больше всего, если вы так смотрите на нее, а источник света находится перед вами. Хотя пигменты внутри нитей поглощают какое-то количество света, отраженного от равномерно расположенных параллельных бороздок света достаточно, чтобы материя выглядела блестящей. На матовой стороне бархата таких бороздок нет. Свет, падающий на эту сторону, рассеивается нитями в разных направлениях, что исключает возможность яркого отражения в каком-либо одном направлении.

Блеск лака или краски обусловлен ярким зеркальным отражением света от внешней поверхности. Если используют «полуглянцевую» краску, свет частично проходит в окрашенный слой, где рассеивается в разных направлениях пигментом, содержащимся в краске. Мы видим сумму этого рассеянного света и света, отраженного от внешней поверхности, так что краска блестит меньше.

И на бумажной поверхности, и на металлическом покрытии есть неоднородности, но неоднородности металлического покрытия малы в сравнении с длиной волны света. В результате свет, отраженный от металлического покрытия, способен сформировать изображение в глазу. Неоднородности на бумажной поверхности больше. Рассеянный на них свет расходится в разные стороны, и изображение внутри глаза не формируется. Поэтому зеркало, в которое вы смотритесь, имеет металлическое покрытие, а не бумажное.

Если через зеленое стекло вы посмотрите на нить горящей лампочки накаливания, конечно, вы увидите зеленый свет. А что будет, если вы посмотрите на ту же лампочку через три или еще большее число слоев зеленого стекла?

Если на солнце разложить кусок зеленого бархата, будет видно, что он зеленый. А что вы увидите, если соберете его складками? Почему край складки (ее внешняя часть) становится бесцветной, но ярко блестит?

Почему, когда кто-то надевает одежду из зеленого бархата, некоторые ее края кажутся зелеными, а другие белыми?

ОТВЕТ • Глядя через некоторые (но не все) сорта зеленого стекла, можно увидеть свет, цвет которого зависит от толщины стекла. Если смотреть через один не слишком толстый слой такого стекла, виден главным образом зеленый свет, но небольшое количество красных лучей тоже проходит через стекло. Когда число слоев, а следовательно и толщина стекла, увеличивается, интенсивность прошедшего света, зеленого и красного, уменьшается. Однако интенсивность прошедшего зеленого света уменьшается быстрее. Когда слоев три, интенсивность прошедших зеленых и красных лучей становится примерно одинаковой, а их комбинацию мы воспринимаем как белый свет. Если и дальше увеличивать число слоев, можно заметить, что свет приобретает красноватый оттенок.

Примерно так же обстоит дело и с зеленым бархатом. Такой бархат отражает главным образом зеленый свет, но с определенной примесью красного. Когда кусок бархата лежит на плоскости, достигающий глаз свет отражается от него один раз, и бархат кажется зеленым. Но если бархат собрать в складки, свет, который вы видите, несколько раз отражается внутри них. При каждом отражении уменьшается интенсивность и зеленого, и красного света, но интенсивность отраженного зеленого цвета падает быстрее. Отразившись внутри складок много раз, свет приобретает красный оттенок.

Когда смотришь на одежду из бархата при белом свете, глаз воспринимает много света, рассеянного на верхних кончиках бархатных нитей. Свет слабо поглощается, поскольку он отражается всего один раз, и остается ярким и белым. Свет, проникающий внутрь бархата, а затем выходящий из него, становится зеленым и более темным. Художники, чтобы отобразить блики на одежде или драпировках из бархата, контуры рисуют яркими белыми линиями по контрасту с остальным более темным фоном. Во всех этих ситуациях эффект может зависеть от того, что чувствительность глаза к свету разного цвета различна и зависит от мощности освещения.

Глядя на человека, например ребенка, вы понимаете, что у него мягкая кожа, поскольку у вас есть некий визуальный ориентир, позволяющий сделать такой вывод. Легче всего в этом разобраться, если источник света находится чуть позади человека и вы улавливаете скользящие лучи света, идущие от его кожи. При изображении человека с помощью компьютерной графики этот ориентир отсутствует, кожа выглядит твердой, и вы тут же понимаете, что это просто модель. Если на светлом фоне смотреть на спелый персик, сходный визуальный ориентир позволит определить, мягкий ли он. Персик явно отличается, скажем, от нектарина, и вы делаете вывод, что персик мягкий. Каков же этот визуальный ориентир?

ОТВЕТ • В случае кожи таким ориентиром является малое количество света, рассеянного либо на внешнем контуре человека, на которого вы смотрите, либо поверхностным слоем кожи или (что скорее) волосками на поверхности кожи. Даже если кажется, что никакой растительности на коже нет, на ней все же есть мягкий пушок, почти незаметный, если смотреть прямо. Однако, если находящийся где-то позади источник света освещает человека скользящими лучами, свет частично рассеивается на этих волосках, слабо подсвечивая его внешний контур. Мозг интерпретирует эту подсветку как «мягкое». Если такого отблеска нет и контур тела резкий и четкий, мозг воспринимает это тело как «твердое».