Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Очевидно, что свет вломился в сознание человека, как только это сознание возникло. Происхождение самого слова похоронено глубоко в тумане начала индоевропейских языков. Важность света была высоко оценена самыми первыми мыслителями. Даже в Библии первый приказ Бога и создании мира гласил «Да будет свет!».

Свет распространяется по прямой. Это каждый из нас знает с детства. Мы уверены в том, что если мы смотрим на предмет, то этот предмет находится там, куда мы смотрим. (Это полностью верно, если только мы не смотрим в зеркало или сквозь стеклянную призму, но эти исключения из общего правила так несложно запомнить.)

Такое прямолинейное движение света, его прямолинейное распространение, является базовым допущением оптики (от греческого «взгляд»), изучающей физику света. Там, где поведение света анализируется так, что его лучи представляют прямые линии, и где эти линии изучали геометрическими методами, мы говорим о геометрической оптике. Именно геометрической оптике посвящены эта и следующая главы.

Представьте себе источник света, например пламя свечи. При условии, что никакой материальный объект не перекроет ваш угол зрения, пламя будет видно с одинаковой легкостью с любого направления. Соответственно свет может быть представлен как распространяющийся во все стороны от своего источника. К примеру, солнце иногда рисуют (в двухмерном отображении) как круг с линиями, изображающими лучи, расходящимися в стороны со всех сторон окружности.

Такие линии в рисунке солнца напоминают спицы колеса, расходящиеся от ступицы. По-латыни спица колеса — радиус (это дает нам слово для обозначения прямой линии, исходящей из центра круга к окружности). Самая малая порция светового излучения напоминает линию по своей прямоте и предельно малой толщине — это световой луч.

Солнечный луч, светящий через дыру в занавеске, образует световой столб, расширяющийся на промежутке от дыры до противоположной стены, и на месте его пересечения со стеной появляется ярко освещенный круг. Если воздух в комнате нормально запылен, то этот столб света будет виден как столб мерцающих пылинок. Прямые линии, ограничивающие световой столб, будут наглядным свидетельством прямолинейного распространения света. Такой световой столб является пучком лучей. Пучок лучей можно рассматривать как совокупность бесконечного количества бесконечно тонких световых лучей.

Источники света не одинаковы по своей яркости. Стоваттная лампочка дает больше света, чем свечка, и несравнимо больше света дает нам солнце. Чтобы измерять количество света, излучаемого световым источником, физики должны были договориться о принятии одного конкретного источника света за стандарт.

Изменения интенсивности света в зависимости от расстояния

Проще всего было выбрать стандартную свечку, сделанную из конкретного материала (лучше всего восковую), приготовленную определенным образом и отлитую по установленным требованиям.

Свет, излучаемый такой свечкой в горизонтальном направлении, был признан равным одной канделе, свече. Сейчас свечу заменили электрические лампы установленной формы, особенно в Соединенных Штатах, но мы все равно говорим о международной канделе, о единице измерения количества света, примерно равной старой свече.

Яркость источника света каким-то образом изменяется в зависимости от расстояния, с которого он наблюдается: чем больше расстояние, тем тусклее свет кажется. Рядом со свечкой книгу можно читать без усилий; чуть отнести ее подальше — и сначала читать будет трудно, а затем — невозможно.

Это неудивительно. Допустим, что от пламени свечи исходит строго определенное количество света. Так как он распространяется во все направления, это строго отмеренное количество будет растянуто на все большее и большее пространство. Можно представить границу освещенного пространства как поверхность шара, где источник света находится в середине. Поверхность этой сферы будет становиться все больше и больше, по мере того как свет будет распространяться наружу.

Из геометрии нам известно, что площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату длины радиуса. Если расстояние от источника света (радиус воображаемой сферы, о которой мы рассуждаем) удваивается, то площадь, по которой распространяется свет, увеличивается в 4 раза. Если расстояние утраивается — площадь увеличивается в 9 раз. Общее количество света на всей освещенной площади останется тем же самым, но освещенность, то есть количество света, падающего на конкретный участок поверхности, должна уменьшаться. Более того, она должна уменьшаться пропорционально квадрату расстояния от источника света. Удвоение расстояния уменьшит силу света до ¼ первоначальной; утроение расстояния — до 1/9.

Допустим, мы используем квадратный фут как единицу площади поверхности и представим, что квадратный фут искривлен так, что он стал частью сферической поверхности таким образом, что все ее точки равноудалены от расположенного в центре сферы источника света. Если наш квадратный фут находится на расстоянии одного фута от источника света, производящего одну канделу света, то сила света, получаемого поверхностью, — 1 фут-кандела. Если поверхность перемещается на расстояние двух футов, то интенсивность его освещения — ¼ фут-канделы и т. д.

Поскольку освещенность определяется как количество света на единицу площади, мы можем также выражать его в количестве кандел на квадратный фут. Однако для этих целей обычно используется другая единица измерения — люмен (от латинского слова, означающего «свет»). Так, если один квадратный фут на определенной дистанции от источника света получает 1 люмен, то два квадратных фута получают 2 люмена света, а половина квадратного фута получает ½ люмена. Однако во всех случаях освещенность остается 1 люмен/кв. фут. Итак, люмен определяется таким образом, что освещенность в 1 люмен/кв. фут равняется 1 фут-канделе.

Представьте себе источник света в 1 канделу в центре пустой сферы с радиусом в один фут. Освещенность на каждом участке внутренней поверхности сферы — 1 фут-кандела, или 1 люмен/фут2. Таким образом, каждый квадратный фут внутренней поверхности получает 1 люмен освещения. Площадь поверхности сферы равна 4πr2 кв. фут. Поскольку r, радиус сферы, равняется в нашем случае 1 футу, то количество квадратных футов площади поверхности нашей сферы равняется 4π. Значение π (греч. «пи») примерно равно 3,14, поэтому можно сказать, что площадь этой сферы — около 12,56 кв. фут. Сила света (которая в нашем случае равна 1 канделе), таким образом, доставляет 12,56 люмена, поэтому мы можем сказать, что одна кандела равна 12,56 люмена.

Свет распространяется полностью и беспрепятственно только в вакууме. Все виды материи в той или иной степени поглощают свет. Большинство видов материи делают это в такой степени, что поглощают весь падающий на них свет и являются светопоглощающими.