Если вы когда-то смотрели безумно увлекательные лекции по физике, то имя Уолтер Левин вам скажет о многом. Если нет — немного вам завидуем: вас ожидает путешествие в страну науки. Газета New York Times назвала профессора Уолтера Левина веб-звездой. Ежедневно профессор влюбляет в физику тысячи людей, а в числе его поклонников сам Билл Гейтс. Сегодня в рубрике «Интеллектуальный час» — долгожданная книга Уолтера Левина «Мир глазами физика».
Профессор считает то, что большинство современных учителей физики игнорируют такое потрясающее явление, как радуга, на своих уроках, преступлением перед учениками. «Как много маленьких чудес повседневной жизни (красивых и впечатляющих) проходят мимо нас незамеченными просто потому, что никто не научил нас их видеть. Я люблю читать лекции о радугах и неизменно перед ними говорю студентам: „К концу этой лекции ваша жизнь уже никогда не будет прежней“. Это относится и к вам», — пишет Уолтер. Готовы? Тогда в путь.
Красивейшее из чудес
Мои бывшие студенты и люди, смотревшие мои лекции в интернете, вот уже много десятилетий присылают мне по обычной и электронной почте прекрасные изображения радуг и других атмосферных явлений.
Я иногда чувствую себя так, будто создал сеть разведчиков радуг, действующую ныне по всему миру.
Надо сказать, некоторые из полученных мной снимков совершенно потрясающие — особенно с Ниагарского водопада, где столько брызг, что радуги получаются невероятно впечатляющими.
Я уверен, что вы за свою жизнь видели по крайней мере десятки, если не сотни, радуг. Большинство из нас смотрели на радуги, но очень немногие их видели. В древней мифологии их называли божьими дугами, мостами, соединявшими дома смертных и богов.
Что скрывается за радугой
Отчасти очарование радуг объясняется тем, как широко, величественно и эфемерно они раскидываются через все небо. Но, как это часто бывает в физике, в основе столь масштабного величия лежат непостижимо огромные количества чего-то исключительно малого: крошечных сферических капелек воды, иногда менее одного миллиметра в диаметре, плавающих в небе.
Хотя ученые пытались объяснить происхождение радуг как минимум на протяжении тысячи лет, первое по-настоящему убедительное объяснение предложил Исаак Ньютон в опубликованном в 1704 году труде «Оптика». Ньютон понял сразу несколько моментов, каждый из которых играет важную роль в создании радуг.
Во-первых, он продемонстрировал, что обычный белый свет состоит из всех цветов (я собирался сказать «всех цветов радуги», но не хочу забегать вперед). Преломляя (изгибая) свет через стеклянную призму, ученый разделил его на составные цвета.
Он также определил, что преломлять свет могут разные материалы, в том числе вода. Ньютон пришел к совершенно правильному заключению, что радуга в небе — это результат успешного сотрудничества между солнцем, несметным числом дождевых капель и нашими глазами, которые должны смотреть на эти капли строго под прямым углом.
Чтобы понять, как получается радуга, следует разобраться, что происходит, когда свет проникает в дождевую каплю. Но помните, что все, что я буду говорить об одной капле, на самом деле относится к бесчисленному числу капель, из которых состоит любая радуга.
Как преломляется свет
Когда луч света проникает в каплю дождя и преломляется,он раскладывается на составляющие его цвета. Красный свет преломляется, или изгибается, меньше всех, а фиолетовый — сильнее всех.
Все эти разноцветные лучи продолжают свой путь к тыльной части дождевой капли. Одни проникают в нее и выходят, а другие отскакивают назад, или отражаются, под некоторым углом на переднюю часть капли. По сути, часть света отражается более одного раза, но для нас этот факт пока неважен; он станет важным чуть позже. На данный же момент нас интересует свет, который отражается только единожды. Когда он выходит из передней части капли, некоторая его часть снова преломляется, далее отделяя друг от друга цветные лучи разного цвета.
После того как лучи солнечного света преломляются, отражаются и преломляются снова на выходе из капли, они уже направлены практически в обратную сторону.
Главная причина, почему мы видим радугу, — красный свет выходит из капли под углом от первоначального направления солнечного света при его проникновении в каплю, который всегда меньше 42 градусов.
То же самое относится ко всем дождевым каплям, потому что солнце, по сути, находится бесконечно далеко от них. Угол, под которым красный свет выходит из капли, может быть каким угодно от 0 до 42 градусов, но никогда не превышает 42 градусов, и этот максимальный угол для каждого цвета разный. Для фиолетового света он около 40 градусов. Именно из-за разных максимальных углов для каждого цвета радуга состоит из разноцветных полос.
Что нужно охотнику за радугами
Как увидеть радугу? Вот научный совет. Прежде всего доверяйте своей интуиции, подсказывающей вам, когда можно увидеть радугу: когда выглядывает солнце перед или сразу после дождя. Почувствовав, что все идет к этому, сделайте следующее. Во-первых, повернитесь затылком к солнцу, затем найдите тень своей головы и посмотрите под углом 42 градуса в любом направлении от воображаемой линии — мысленно нарисуйте линию, идущую от Солнца через вашу голову к дальнему концу вашей тени на земле (она будет располагаться параллельно направлению солнечных лучей, тянущихся к дождевым каплям).
Если солнечного света достаточно, равно как и количества дождевых капель, это сотрудничество света и капель будет эффективным и вы увидите в небе красочную дугу.
Предположим, что солнца вам совсем не видно — оно спрятано за облаками или зданиями, но тем не менее явно светит.
Тогда вы все равно сможете увидеть радугу, если только между солнцем и каплями нет облаков. Потому что знаете, как правильно смотреть (помните про угол в 42 градуса).
Зная, как найти на небе радугу, вы наверняка начнете искать ее повсюду. Я, признаться, часто просто не способен бороться с этим искушением. Однажды мы со Сьюзен ехали домой, и начался дождь. Поскольку мы двигались прямо на запад, в сторону солнца, я, несмотря на плотное движение, свернул на обочину, вышел из машины и посмотрел назад. Это была неописуемая красота!
Всякий раз, проходя мимо фонтана в яркий солнечный день, я стараюсь встать так, чтобы поискать радугу там, где, как я знаю, она должна находиться. Попробуйте сами, когда будете проходить мимо фонтана. Встаньте между солнцем и фонтаном спиной к солнцу и не забудьте, что брызги фонтана работают точно так же, как капли дождя в небе.
Найдите тень своей головы на земле и мысленно нарисуйте воображаемую линию. Теперь смотрите под углом 42 градуса от этой линии. Если в этом направлении достаточно капель, вы увидите сначала красную полосу радуги, а потом и все остальные.
Как образуется двойная радуга
Если вы видели двойную радугу, то наверняка заметили, что вторичная радуга менее яркая, чем первичная. Однако вы наверняка не обратили внимания, что порядок цветов во вторичной радуге обратный порядку в первичной: синий (фиолетовый) находится снаружи, а красный внутри.
Двойная радуга на водопаде Виктория, — источник.
Как образуется двойная радуга? Одни световые лучи, проникающие в капли, отражаются всего один раз, другие перед выходом из капли отражаются дважды. Хотя световые лучи, проникающие в любую заданную дождевую каплю, могут отражаться внутри нее многократно, первичная радуга состоит только из тех, которые отразились один раз. А вот вторичная радуга, напротив, создается из лучей, которые отражаются перед преломлением на выходе внутри капли дважды.
Из-за этого дополнительного отскока внутри капли цвета во вторичной радуге следуют в порядке, обратном порядку в первичной радуге.
Причина, по которой вторая радуга появляется на небе в месте, отличном от первой, заключается в том, что дважды отраженные красные лучи выходят из капли под углами, которые всегда больше (да-да, больше), чем примерно 50 градусов, а дважды отраженные синие лучи — под углом, всегда большим, чем 53 градуса. Таким образом, вторую радугу надо искать в 10 градусах от первой.
А то, что она менее яркая, объясняется тем, что света который отражается внутри капли дважды, намного меньше, чем света, который отражается один раз; следовательно, света для создания вторичной радуги гораздо меньше. По этой же причине увидеть вторичную радугу куда труднее, чем первичную.
Теперь, когда вы знаете, что она часто сопровождает первичную радугу и где ее искать, вы увидите ее много-много раз.
Как сделать радугу самому
Итак, вооружившись информацией о радугах, вы можете произвести небольшое оптическое волшебство и собственноручно создать радугу в своем дворе или даже просто на тротуаре — с помощью обычного садового шланга. Кстати, создать собственную радугу можно, даже когда солнце находится в зените, что в природе случается очень редко.
Если на конце вашего шланга есть насадка, отрегулируйте его в тонкую струйку, чтобы капли получались достаточно маленькими, и когда солнце будет высоко в небе, направьте шланг на землю и начните распыление. Вы не увидите сразу весь круг, но кусочки радуги заметите. А перемещая носик шланга по кругу, вы, часть за частью, сможете увидеть целый круг радуги. Почему придется действовать таким образом? Потому что у вас нет глаз на затылке!
Третья радуга
Студенты часто спрашивают меня, а бывает ли третичная радуга. Ответ: и да и нет. Третичная радуга, как вы могли догадаться, — результат тройного отражения света внутри капли.
В центре такой радуги расположено солнце, и, как и первичная радуга с центром в точке солнечного противостояния, она также имеет радиус около 42 градусов, и ее красная полоса находится на внешней стороне. Таким образом, чтобы увидеть третичную радугу, вам нужно смотреть в сторону солнца, а капли дождя должны быть между ними и вами. Но при таком раскладе вы почти никогда не увидите солнца.
Тройная радуга. Подлинная фотография или фотошоп? Судя по словам Уолтера Левина, второе. В любом случае, выглядит завораживающе, — источник.
Есть и другие проблемы: много солнечного света будет проходить через капли, вообще не отражаясь, что приведет к очень яркому и большому свечению вокруг солнца, в результате чего увидеть третичную радугу будет практически невозможно. А еще она более блеклая, чем вторичная. Кроме того, гораздо шире первичной и вторичной, следовательно, и без того слабый свет радуги распределяется по небу еще сильнее и увидеть ее труднее.
Насколько мне известно, фотографий третичных радуг не существует, и я лично не знаю никого, кто бы их когда-либо видел. Тем не менее отчеты о наблюдениях за этим природным явлением имеются.
Радуги — наиболее известное и красочное атмосферное явление, но отнюдь не единственное. Существует целый ряд других явлений атмосферы; некоторые из них сразу бросаются в глаза, а другие, напротив, мистически загадочны. Еще больше научных фактов и объяснений читайте в книге «Мир глазами физика».
Обложка поста: pexels
