Физика без формул

Верно ли мы видим мир?

Почему говорят «наблюдать невооруженным глазом»? Чем же это его вооружают? Понятное дело, ответите вы, какими-нибудь оптическими устройствами, чтобы лучше что-то разглядеть или как можно дальше увидеть. А что, наш глаз сам по себе не на многое способен?

Конечно же, глаз — весьма совершенное и непростое устройство. Недаром благодаря зрению человек получает больше сведений об окружающем мире, чем с помощью всех остальных чувств, вместе взятых. Однако если отнестись к глазу, как к оптическому прибору, то разобраться с ним будет нам, в общем-то, нетрудно.

Хотя все «детали» глазной системы важны, все же центральное место в ней занимает хрусталик. А ведь это просто собирающая линза. Ну, не совсем, конечно, простая: хрусталик способен, в отличие от стеклянной линзы, менять под действием глазных мышц свою толщину. Взгляните на облака или на далекий лес. Вы чувствуете, как ваш глаз расслабляется? А теперь придвиньте насколько можно книжку к своему носу. Ощутили, как глаз напрягся? То-то, это действуют глазные мышцы.

Таким образом хрусталик фокусирует световые лучи, добиваясь четкого изображения в глазу. В фотоаппарате же эту задачу решают, выдвигая или вдвигая линзу-объектив. Представляете, если б наши глаза действовали так же? Тогда они «вылезали бы из орбит», как у рака или Громозеки из мультфильма «Тайна третьей планеты». Однако природа позаботилась о том, чтобы мы могли справляться с «наводкой на резкость» без выпучивания глаз.

Но в фотоаппарате изображение переворачивается. А у нас в глазу, если он работает как линза? Точно так же, хотя до Леонардо да Винчи не только простые люди, но и ученые никак не могли примириться с тем, что видят мир перевернутым. Это уже наш мозг научился правильно «считывать» с глаза световые сигналы.

«Нет очков у тети Вали…»

Зачем человеку очки? Сегодня этот вопрос звучит странно, потому что чуть ли не большая половина людей пользуется очками или заменяющими их контактными линзами. Значит, мы испытываем в очках большую потребность. Но почему?

Если глазным мышцам не хватает сил, чтобы сфокусировать хрусталик на рассматриваемом предмете, изображение в глазу получается размытым. Ну, как в фотоаппарате, который плохо настроили на резкость. Близорукие люди не видят четко дальше какого-то, предельного для каждого из них расстояния. А дальнозорким, наоборот, недоступно резкое изображение близких предметов. Значит, к линзе-хрусталику нужно добавить помощника-очки. Запомните, они не вылечивают, а только временно, пока их носят, подправляют дефекты зрения.

Близорукому человеку необходимы в очках рассеивающие или, как их еще называют, отрицательные линзы. После преломления в них световые лучи, идущие от далеких предметов, кажутся исходящими из ближних точек. И глаз воспринимает их, не напрягаясь. Подобная картина наблюдается в собирающих, или положительных, линзах для дальнозорких. Только там очки «перековывают» лучи от близких предметов в будто бы идущие издалека.

История создания очков начинается где-то в XIII–XIV веках. Во всяком случае, известен портрет кардинала в очках, написанный в 1352 году в Италии. Интересно, как, в соответствии с модой, менялся внешний вид очков. Лорнет, монокль, пенсне — каких только не было изобретений! Но оптический принцип действия очков оставался неизменным.

Познакомьтесь с бактерией!

А можно ли нормальным, здоровым глазом разглядеть бактерию? Увы, нет, не приспособлено для этого наше зрение. Ну, а если воспользоваться хорошей лупой? Конечно, она способна дать большое увеличение, но и ее недостаточно для таких крохотных тел, как бактерия. Что же делать?

Когда стали появляться хорошие по качеству и разнообразные по форме линзы, а это было около 500 лет назад, можно было попробовать «поиграть» с ними, покомбинировать. Видимо, кто-то в это время обнаружил, что система из двух линз способна дать большее увеличение, чем каждая из них в отдельности. Авторство этого открытия обычно приписывают итальянцу Галилео Галилею. Иногда «отцом» микроскопа называют голландца Антони ван Левенгука. Но достоверных сведений о первооткрывателе нет.

Антони ван Левенгук (1632–1723) — голландский натуралист. Внес свое имя в летописи науки как один из основоположников микроскопии. Изготавливал сильные увеличительные стекла, благодаря которым смог сделать ряд важнейших открытий в биологии. Впервые наблюдал бактерии, обнаружил движение мельчайших телец в кровяных сосудах.

Принцип действия микроскопа заключается в том, что первая линза, направленная на исследуемый предмет, создает его увеличенное изображение. Другая линза, словно подхватывая световые лучи от первой, вторично увеличивает это изображение. В результате малюсенький предметик (недаром говорят — микроскопический) вырастает в своих размерах в тысячи раз. Представляете, каким было удивление того же Левенгука, увидевшего в микроскоп дотоле никому не известную жизнь, протекающую в мире мельчайших организмов!

Но и оптический микроскоп имеет свои пределы увеличения. Ему на помощь в XX веке пришел так называемый электронный микроскоп, работающий, правда, на совершенно иных принципах… Зато в него можно «разглядеть» даже отдельные молекулы.

Свет — волна и свет — частица

Для того чтобы строить какие-то теории о свете, надо как-то вообразить себе, что же он из себя представляет. Исаак Ньютон считал, что свет — это поток частичек, «корпускул», выстреливаемых, будто из пулемета, источником света. Другой точки зрения придерживался известнейший голландский ученый Христиан Гюйгенс. Он полагал, что свет от источника распространяется в виде волн, подобных тем, что мы наблюдаем при падении камушка в воду. Кстати, именно Гюйгенс обратил внимание, что принцип Ферма о минимальном времени движения светового луча опирается на волновые свойства света.

Корпускулярная и волновая теории света поначалу не смогли мирно ужиться. В каких-то случаях они приводили к одинаковым результатам, порой опровергали друг друга. Между сторонниками двух точек зрения шли острые, иногда яростные дискуссии. Скажем, авторитет Ньютона был столь велик, что вплоть до начала XIX века корпускулярным языком описывали явления, явно противоречащие ньютоновской теории.

Христиан Гюйгенс (1629–1695) — голландский физик, математик и астроном. Разработал волновую теорию света, выдвинул известный волновой принцип, названный его именем, объяснил многие оптические явления. В механике исследовал столкновение тел и вывел его законы, сконструировал первые маятниковые часы и создал их теорию. Установил постоянные точки термометра. Совершенствовал телескоп, с его помощью открыл кольцо Сатурна и его спутник Титан.

Начало позапрошлого столетия ознаменовалось поразительными открытиями. Опыты демонстрировали, что свет может огибать препятствия, усиливать или ослаблять себя, исчезать в непредвиденных местах и возникать там, где его не ждали. Объяснение таким переменам в его поведении оказалось возможным только в рамках волновой теории света.

А к концу XIX века было получено надежное доказательство, что свет — не что иное, как электромагнитная волна.

Казалось бы, волновая теория одержала триумфальную победу. Но начало XX века принесло новые открытия, заставившие ученых в каком-то смысле вернуться к воззрениям Ньютона. При объяснении новых фактов волновая теория была бессильна.

Так что же, свет — это все-таки частицы? Сегодня ученые считают: в каких-то случаях он ведет себя как поток микроскопических частиц-корпускул, в других — как волна. Иначе говоря, ему присущи и те, и другие свойства.

Как исчезает свет?

В каких случаях свет показывает себя как волна? В конце десятых годов прошлого века французские ученые были несказанно удивлены, когда молодой физик Огюстен Френель провел на их глазах любопытный опыт. Между источником света и экраном размещался непрозрачный диск. По здравому смыслу, на экране должна была получаться круглая тень. Френель, перемещая приборы, добивался того, что в центре тени появлялось светлое пятнышко. И наоборот, если пропускать свет через круглое отверстие, то при определенных условиях в середине светлого пятна образовывалась темная точка.

Огюстен Френель (1788–1827) — французский физик. Экспериментируя с помощью примитивных средств, достиг великолепных результатов в оптике. Развил учение о свете, дополнил принцип Гюйгенса. Разработал теорию дифракции — явления, при котором свет огибает препятствия. Доказал поперечность световых воли. Изобрел ряд оптических приборов.

Объяснить эти чудеса могла только волновая теория света. Подобно звуковым волнам, способным огибать препятствия, световая волна в каких-то случаях может зайти за край, скажем, диска и попасть в зону тени. Почему же такие явления довольно часто наблюдаются для звука и намного реже — для света? Дело в том, что звуковые волны обладают значительно большей длиной — расстоянием между своими «горбами», это примерно метры. Значит, на препятствиях таких размеров и будет наблюдаться огибание звуковых волн.

А вот длина световых волн чрезвычайно мала — они меньше миллионных долей метра. Вот такого размера отверстия или препятствия и позволят заметить отклонение световых лучей от прямолинейной траектории.

Например, классический опыт провел в 1802 году англичанин Томас Юнг. Проделав в непрозрачном экране две близких дырочки с помощью тонкой булавки, он осветил их солнечным светом, проникавшим в комнату через маленькое отверстие в шторе. И что же? Вместо двух ярких точек за экраном наблюдалось чередование темных и светлых колец.

Томас Юнг (1773–1829) — английский ученый. Работал в различных областях естествознания, но более всего известен как физик. Один из создателей волновой оптики. Объяснил «настройку» глаза изменением толщины хрусталика, явление усиления и ослабления звуковых и световых волн. Разрабатывал теорию цветного зрения. Также исследовал упругие деформации.

Объяснить это явление можно было, считая, что световые лучи, загибаясь в дырочках, накладываются друг на друга, то усиливая себя, то ослабляя.

Кто «отвечает» за цвет?

Вы нырнули в бассейн, а на его краю остался ваш приятель в красных плавках и голубой купальной шапочке. Какого цвета будут они казаться вам из-под воды? Неожиданный вопрос, правда? Кажется, что в нем есть подвох. Но сколько ни ныряй, всякий раз красные плавки останутся красными, да и шапочка не изменит свой цвет. Что же тут выяснять?

Да дело в том, что если считать свет волной, то хорошо бы узнать, какая его характеристика отвечает за цвет. Длина волны? Скорость? Частота? Оказалось, что при переходе в более плотную прозрачную среду свет как бы тормозится, скорость его падает. Вместе со скоростью ровно во столько же раз уменьшается длина световой волны. И если бы эти характеристики «взяли на себя ответственность» за цвет, то мир предстал бы перед нами в искаженных цветах. Ну, подумайте, вы бросаете в кастрюлю с водой ярко-красную морковку для варки, а она, «нырнув» на дно, вдруг стала синей или еще хуже, серо-буро-малиновой. Захотелось бы съесть такую морковку?

Итак, не скорость и не длина волны. Остается частота. Да, именно эта волновая величина определяет цвет световых лучей. Она будет неизменной для каждого цвета, где бы лучику ни пришлось путешествовать — в линзах, в стеклах, в призмах. Заметьте, что если длина световых волн ничтожно мала, то частота — невероятно огромна. Составляет она примерно миллион миллиардов колебаний в секунду. Самая большая частота световых волн — у фиолетового цвета, а самая маленькая — у красного.

Что такое радуга?

Вы, конечно, любовались видом радуги, возникающей в небе после дождя. Отчего же появляется такая красивая, да еще цветная картина в воздухе? Однако тут мы не совсем точны, в чистом воздухе никакой радуги не было бы. Образуется она благодаря мельчайшим капелькам воды, поэтому и бывает лишь после дождя. Заметьте, что чаще наблюдать радугу удается, когда Солнце невысоко над горизонтом, а вы располагаетесь спиной к нему и лицом к «уходящему» дождю.

В чем причина появления цветов на небосклоне? Преломляясь в крохотных прозрачных капельках воды, белый свет испытывает, как говорят, разложение в спектр. И тогда становится совершенно ясно, что состоит он из набора цветов. Получить радугу можно, как это сделал Исаак Ньютон, в «домашних» условиях. Через маленькое отверстие в ставне или шторе нужно пропустить узенький пучок света. Если на его пути поставить стеклянную треугольную призму, то преломившиеся в ней лучи выйдут уже разделенными на цвета. Это будет хорошо заметно на противоположной окну стене.

Явление, описанное сейчас, получило название дисперсии света. Радужная полоска, именуемая спектром, показывает, что сильнее всего преломляются призмой фиолетовые лучи, а меньше всего — красные. Получение спектров от различных светящихся тел породило целую отрасль науки и техники — спектральный анализ.

Выяснилось, что каждое вещество испускает и поглощает вполне определенные цветовые лучики. И если мы сравним спектр, например, от раскаленного грунта, доставленного с Луны, с известными, эталонными спектрами, то сможем узнать, из чего этот грунт состоит. По спектру расплавленного металла, который только что «сварили», можно распознать, какие химические добавки ему нужны, а каких — избыток.

Специальные приборы — спектроскопы, — основной деталью которых является призма, нашли широкое применение в самых разных областях. Скажем, с их помощью смогли на расстоянии определить химический состав звезд. Одним из поразительных открытий спектроскопии было обнаружение на Солнце неизвестного химического элемента, который значительно позже нашли на Земле. Его и назвали в честь Солнца — гелий.

Как быстро бегает свет?

Да так и бежит — со скоростью света, иначе вроде и не скажешь. А какова эта скорость? Измерить ее пытались очень давно. Изобретали остроумные способы, пытаясь даже «включить» в экспериментальные установки другие планеты. Было ясно, что скорость эта невероятно велика, поэтому измерять ее нужно на больших расстояниях.

Жан Фуко (1819–1868) — французский физик-экспериментатор. Разработал метод измерения скорости света и измерил ее в воздухе и воде, чем подтвердил волновую теорию света. При помощи маятника доказал вращение Земли вокруг своей оси. Изобрел гироскоп, нашедший широкое применение в технике.

Первые же более или менее удачные попытки привели к результатам, говорящим о сотнях тысяч километров в секунду. Все более точные методы измерения позволили установить на сегодня эту величину равной 300 000 километров в секунду. Как бы ни была велика эта скорость, она не бесконечно большая. Значит, свет от далеких источников, например, звезд, может идти к нам не мгновенно, а столетиями, миллионами лет. И то небо, которое мы видим над головой, вовсе не соответствует реальному состоянию дел. Иначе говоря, каких-то звезд уже давным-давно нет на свете.

А вдруг и Солнце уже погасло? И до нас доходит давным-давно испущенный свет? Не волнуйтесь, от Солнца свет доносится до нас всего лишь за 8 с небольшим минут, так что про него мы все довольно быстро узнаем.

Скорость света, измеренная в разных прозрачных веществах, оказалась меньше той, с которой он распространяется в вакууме или воздухе. Знание этих скоростей позволило установить причину преломления света: чем меньше скорость света в среде, тем больше он ею преломляется.

Когда английским физиком Максвеллом было предсказано существование электромагнитных волн, он считал, что свет — одна из их разновидностей. Так оно потом и подтвердилось в экспериментах. Радиоволны, тепловые (инфракрасные), световые, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи — близкие родственники. Распространяются они в вакууме с одной и той же скоростью — скоростью света, а различаются лишь длиной волны или частотой.

Можно ли усилить свет?

Линзами и зеркалами можно, конечно, достаточно сильно сконцентрировать свет. Но все-таки, как бы мы ни преломляли и отражали лучи оптическими приборами, «сгустить» их в достаточной мере не удается. И лишь во второй половине XX века люди научились усиливать свет, но только совершенно другим способом.

Если взять довольно большой кристалл рубина — прозрачного минерала, — то его в специальном устройстве можно «накачать» световой энергией яркими вспышками особой лампы. В какой-то момент «насытившись», кристалл начнет сам испускать тоненький красный луч. В этом луче световая энергия оказывается очень сильно сконцентрированной. Лучик способен прожечь любые материалы, в том числе и алмаз.

Такой прибор назвали лазером — усилителем света. Где только не применяют его сегодня! Были созданы различные типы лазеров для разных целей. Врачам лазерный луч пригодился как острый и стерильный скальпель. Геодезистам он помогает задавать точное направление при проведении, скажем, подземных работ. С помощью лазера была выполнена световая локация Луны и определено точное расстояние до нее.

Лучи лазера движутся строго в одном направлении, поэтому пучок света не расплывается вширь даже на больших расстояниях. Это позволяет применять его и как средство связи, когда сообщение можно передать хоть на другую планету.

Если лазер может прожигать даже твердые материалы, значит, его луч переносит энергию в пространстве. Тогда он должен и сдвигать предметы, то есть прикладывать к ним силу. Это особенно хорошо заметно, когда вертикальный луч лазера удерживает и даже поднимает легкие шарики.

Выходит, свет оказывает давление? Да, причем это было показано почти 100 лет назад в работах русского физика Петра Николаевича Лебедева. Он увлекся проблемой отклонения кометных хвостов солнечным светом. Создав оригинальную опытную установку, Лебедев смог измерить ничтожно малое световое давление. Оно оказалось в точности таким, какое ранее предсказал в своей теории английский физик Джеймс Максвелл.

Петр Николаевич Лебедев (1866–1912) — российский физик-экспериментатор. Провел опыты на грани технических возможностей своего времени, но блестящие по результатам. Доказал существование давления света на твердые тела и газы, чем подтвердил электромагнитную теорию света. Создал устройства для генерации и приема электромагнитных волн и изучил их свойства. Исследовал земной магнетизм.

Какие лучи за краем радуги?