Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

• Название: Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
• Автор: Гэвин Претор-Пинни
• Издательство: Лайвбук
• Жанр: Физика
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-904584-33-7

Приготовьтесь: вас ждет кругосветное путешествие по всевозможным волнам: от серферских океанических до мозговых, радио-, микро-, инфракрасных, акустических, световых и многих прочих.

Претор-Пинни предлагает нам заново взглянуть на наш постоянно взволнованный мир.

---

Переливчатые, сложные по составу цвета присущи не только бабочкам. К примеру, надкрылья жуков тоже представляют собой богатую палитру оттенков цвета металлик. У примечательного жука златки (Chrysochroa fulgidissima) надкрылья окрашены не только с лицевой стороны, но и с изнаночной. Если смотреть на жука под разными углами, его окраска будет меняться с желтовато-зеленой до темно-синей сверху и с зеленой до рыжевато-бурой снизу. Но переливчатая окраска свойственна и менее экзотическим видам. Крошечный, всего 6 мм длиной, листоед мятный (Chrysolina menthastri) может похвастать насыщенным зеленым окрасом с медным оттенком. Правда, он оставит ваши грядки без мяты. Но ведь красавчик, а?

Переливчатая окраска жуков обусловлена не особым строением их хитинового панциря на микроскопическом уровне, а все той же интерференцией световых волн. За сложные цветовые сочетания отвечает прозрачный хитин, покрывающий надкрылья тонкими, всего около сотни нанометров, слоями. Изумрудно-зеленые и медные оттенки напоминают переливы бензинового пятна или мыльного пузыря, образующиеся благодаря интерференции световых волн, отражающихся от верхней и нижней поверхностей бесконечно тонких слоев.

А ведь есть еще птицы. Радужные переливы любого пера — результат волновой природы света. Пожалуй, самым впечатляющим примером служит яркое — синих, зеленых, красных и золотистых оттенков — оперение райской птицы. Интенсивность окраски хвостовых перьев самцов играет важнейшую роль во время брачных танцев, привлекая самок. Прекрасны цветовые переходы на шейках некоторых видов колибри. В основном преобладают зеленые и синие тона, однако некоторые щеголяют переливчатыми тонами красного, желтого и медно-рыжего. Яркая бирюзовая вспышка на оперении зимородка также объясняется не пигментацией, а явлением интерференции, как, впрочем, и сине-зеленые оттенки вокруг шеи самца обыкновенного фазана. Да, и не будем забывать нашего павлина.

Структуры, ответственные за интерференцию световых волн, дающую великолепную цветовую окраску, у каждого вида птиц разнятся. У павлина это центральный стержень, от которого отходят многочисленные бородки, а от бородок — бородочки. Если рассматривать бородочки под электронным микроскопом, обнаружится, что они содержат фотонные кристаллы, состоящие из объемных решеток с гранулами меланина, разделенных промежутками, сравнимыми с длиной световой волны.{146},{147}

Для всех этих и многих других созданий такое сложное строение покровов, благодаря которому образуется переливчатая окраска, явилось ступенькой вверх по эволюционной лестнице, облегчив, к примеру, взаимодействие — как с друзьями, так и с врагами. Однако еще один пример замечательной переливчатой окраски — перламутровые слои внутренней поверхности устричной раковины — кажется побочным эффектом, образовавшимся при создании устрицей надежного убежища. Перламутр состоит из бессчетного количества тончайших пластинок карбоната кальция, скрепленных между собой; он обладает гладкой поверхностью и ударопрочен. Перламутр скрыт от всеобщего обозрения, он не играет никакой роли ни при размножении, ни при общении. Можно подумать, что благополучие устрицы зависит от красивых «обоев» в ее домике-раковине.

Однако если поблизости оказываются люди, никакие переливчатые расцветки животным не помогают. Крылья бабочек из подсемейства морфид пользуются популярностью в качестве украшении на ритуальных масках — по крайней мере, так считают амазонские племена. Перламутр больше ценится человеком в виде инкрустации на деревянном комоде, нежели внутри раковины живого моллюска. В середине XIX века дамы из числа европейской аристократии предпочитали украшать свои бальные наряды надкрыльями жука-древоточца. Яркая окраска могла бы послужить ее владельцам, привлекая особей противоположного пола и отпугивая хищников, однако вместо этого привлекла человеческих существ, из-за чего краски лишь потускнели.

* * *

«Все мы знаем, что есть свет, однако непросто объяснить, что же это такое», — заметил Сэмюэль Джонсон.[62] И он прав: тот факт, что благодаря свету мы видим, сильно затрудняет понимание природы самого света.

Должен вам кое в чем признаться: я тут рассуждал о свете как о форме волны, однако в строгом смысле это не так. Живший в XVII веке Роберт Гук, английский физик, или, как тогда было принято называть, естествоиспытатель, в 1665 году выдвинул теорию света. Примерно четверть века спустя теория получила поддержку в лице его современника, голландца Христиана Гюйгенса, который опубликовал математическое доказательство того, что поведение света по большей части может быть объяснено с позиций волн.

Единственной загвоздкой в теории был вопрос о том, через какую среду волны света распространяются. Для океанических волн это вода, для звуковых — воздух (или любое другое вещество). Но вот что пронизывают волны света? Поскольку непременным условием распространения остальных волн является наличие среды, а свет может распространяться в вакууме, сторонники теории волн должны были предъявить некий люминофорный (иными словами, светоносный) эфир. Однако никто не имел ни малейшего понятия о том, из чего этот эфир может состоять.

Исаак Ньютон в своем труде «Оптика», впервые опубликованном в 1704 году, выдвинул другую концепцию света, предположив, что свет состоит не из волн, а из мельчайших частиц — корпускул. Идея надолго поселилась в умах человечества — «Оптика» оставалась основополагающим трудом, описывающим поведение света, на протяжении всего XVIII века. (Уж в названии такой книги можно было обойтись и без орфографических ошибок.[63]

Проведя хитроумные эксперименты, Ньютон пришел к любопытным выводам о том, что и почему со светом происходит, когда его лучи при прохождении через стеклянный стакан в результате дифракции отклоняются. В своем известном опыте с призмой ученый продемонстрировал, как солнечный луч разделяется на составляющие его радужные цвета спектра. Корпускулярная теория света была центральной темой трактата, хотя вошла в него лишь как один из вопросов в конце пересмотренного издания 1717 года: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами?»{148}

Рассуждая в форме вопросов об оптических явлениях, Ньютон предположил, что свет состоит из мельчайших частиц. Когда солнечный луч проходит через стеклянную призму, он разделяется на разные цвета. Что если каждый цвет соотносится с частицами определенного размера? Самым малым размером ученый наделил частицы фиолетового спектра, а самым большим — красного. И хотя экспериментальным путем он свою теорию не подтвердил, его авторитет в науке был так весом, что ученые в основной своей массе его корпускулярную теорию света приняли. И отказались от нее крайне неохотно — только в начале XIX века, когда стали появляться первые свидетельства в пользу того, что свет — это все-таки волна. В частности, это было наиубедительнейшим образом продемонстрировано на примере одного опыта. Этот важнейший для современной физики опыт поставил не маститый ученый, а любитель, не утруждавший себя возней в лаборатории. В ходе опыта выяснилось, что для света характерно основополагающее свойство волн — интерференция.

* * *

Родившийся в 1773 году Томас Юнг был человеком от природы одаренным, владел несколькими языками. Грамоте научился в два года, а к четырем прочитал от корки до корки Библию, причем дважды. Прошло каких-то тридцать лет, и он начертил оптическую схему, при виде которой екнуло бы сердце любого пролетающего мимо мотылька-однодневки.

Угадайте, кому в подарок на Рождество достался компас?

Юнг познакомил научную общественность со своей схемой во время чтения «Курса лекций по естественной философии и механическому искусству» в Королевском обществе в 1807 году.{149} Оптическая схема объясняла взаимодействие волн, «образовавшихся от двух камешков одинакового размера, брошенных в пруд в одно и то же время». Говорят, Юнга осенило, когда он, прогуливаясь возле пруда кембриджского Эммануэл-Колледжа, увидел расходившиеся от пары лебедей круги ряби, волны которых накладывались.{150} Однако, демонстрируя схему, он имел в виду вовсе не волны в пруду, а поведение света.

Юнг считал, что схема наглядно объясняет поведение не только водной ряби, но и солнечного луча, проходящего через две прорези экрана (отмеченные буквами А и В) и выходящего в виде волн. Свет, имея волновую природу, должен расходиться от каждой прорези на манер волн, проходящих через узкую щель дамбы; такое свойство волны, дифракция, хорошо известно. Юнг предположил: если свет является волной, тогда выходящие из обеих прорезей и накладывающиеся лучи должны интерферировать друг с другом — как и волны в воде. Только в случае со светом вместо участков более или менее спокойной воды должны проявиться участки большей и меньшей освещенности. Область особо заметного волнения в случае со световыми волнами будет областью особенно яркого освещения; область менее заметного волнения будет областью менее освещенной. Именно такое заключение, утверждал Юнг, позволил сделать опыт с экраном. В ходе опыта лучи, наложившись, образовали следующую картину:[64]