Текст книги "Удивительная физика"

О чем спорили Исаак Ньютон с Христианом Гюйгенсом?

А заспорили они о том, что же такое свет? Древние ученые очень уж мистически его представляли себе. Считалось, что из глаз человека, животных и других существ выходят особые тонкие щупальца и при ощупывании ими предметов глаз их видит. Ну до этого только ученые и могли додуматься! Во-первых, как быть с «ощупыванием» далеких и горячих предметов? Как этим щупальцам дотянуться, например, до Солнца? Да и сгорят они там, из чего бы ни были сделаны.

Или если покажут что-нибудь интересненькое, то каждый свои щупальца туда и потянет. Перепутаются они там, да и мест для ощупывания на этом «интересненьком» не хватит, если смотрит на это много народа.

Более правдоподобную гипотезу о природе света выдвинул 2 500 лет назад греческий математик Пифагор (тот, чьи «штаны во все стороны равны»). Он считал, что каждый предмет постоянно испускает во все стороны потоки мелких частиц, которые, попадая в глаза, вызывают ощущения либо света, либо очертаний предметов.

Но по-настоящему научный спор возник в XVII в. между так называемой корпускулярной и волновой теориями природы света. Первая связана с именем Исаака Ньютона, а вторая – Христиана Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц (или по латыни «корпускул»), идущих от источника света во все стороны. Почти как в хорошо забытой теории Пифагора. Ясно, что это связано с переносом вещества, т. е. частиц, которые, как пули из пулемета, постоянно разлетаются от светящегося предмета, и если на их пути попадается глаз, то последний ощущает эти частицы как свет.

Согласно же представлениям Гюйгенса свет – это поток волн, распределяющихся в неведомой, гипотетической среде – эфире (не путать с сильно пахнущей легкой жидкостью, которую используют для наркоза!), заполняющем все и вся вокруг. Этот эфир проникает и внутрь предметов – воздуха, стекла, воды, и, уж безусловно, он заполняет все громадное космическое пространство между звездами, планетами и прочими небесными телами. Ибо свет идет и в воздухе, и в прозрачных телах, и в космическом пространстве. Представить себе волны без упругой среды, в которой эти волны могли бы распространяться в виде механических колебаний, Гюйгенс в то время, конечно же, не мог.

Такое действие, когда само вещество не переносится, а изменяется состояние среды между телами (того же эфира), и называют в науке волновым процессом.

Обе эти теории или гипотезы существовали параллельно, и ни одна из них не могла одержать решающей победы. Ситуация, как говорят, была патовая. Известные в то время из опыта законы распространения света с бо2льшим или меньшим успехом объяснялись обеими теориями.

Но Ньютон, как самый большой авторитет в науке, сумел-таки склонить большинство ученых на свою сторону. Еще бы – открытый им закон инерции прекрасно объяснял прямолинейный полет «световых» частиц движением их по инерции. Отражение света от зеркал вполне соответствовало отскоку упругих шаров при их ударе о плоскость. Но Ньютон никак не мог объяснить, почему эти частицы не сталкиваются в пространстве, если световые пучки пересекаются. При такой плотности «стрельбы» частицами, они нет-нет да и столкнутся, отскочат в сторону, рассеются. Но этого не происходило.

Волновая же теория прекрасно объясняла этот факт. Волны, хотя бы на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, дающее резкие, четко очерченные тени, трудно объяснить волновой теорией. А корпускулярная объясняла это прямолинейным полетом частиц по инерции.

И, как люди деликатные, Ньютон и Гюйгенс где-то уступали друг другу. Интерференцию света, которую сам же Ньютон получил в своих опытах с линзами, можно было объяснить только волновой теорией. Но Ньютон «допустил» существование и волновой теории, отдавая предпочтение все-таки корпускулярной. Ну а Гюйгенс «допустил», что волны в его теории излучаются не непрерывно, а импульсами, порциями. Вроде как частицы, но частицы все-таки волн. Вообще, эти ученые выражались очень осторожно, особенно Ньютон.

Вот вам «образчик» его «принципиального» признания «телесности» (корпускулярности) природы света: «Справедливо, что я заключаю из моей теории о телесности света, но я делаю это безо всякой абсолютной определенности…»

Да, сэр Исаак Ньютон был настоящим джентльменом, ничего не скажешь!

Такое неопределенное, двойственное положение в воззрениях на природу света длилось до XIX в., когда, казалось бы, неопровержимые данные по теории волновых процессов, заставили ученых того времени признать, что свет ведет себя как волна. Особенно постарался в этом шотландский ученый – сторонник Гюйгенса, великий физик Дж. К. Максвелл (1831—1879). Он неопровержимо доказал, что свет – это электромагнитные колебания, которые, кстати, прекрасно распространяются и в пустоте, так что никакого «эфира» и не понадобится. К концу XIX в. у физиков не осталось ни тени сомнения, что свет – это волновой процесс, и свой спор Ньютон проиграл Гюйгенсу.

Но… наука все время будет повторять и повторять это «но», не отдавая явного предпочтения ни одному «окончательному», «бесповоротному» мнению. Итак, к самому концу XIX в., когда сторонники электромагнитной волновой теории света праздновали, казалось бы, окончательную победу, их торжество смутили некоторые, на первый взгляд, незначительные сомнения, «легкие облака» на горизонте волновой физики.

Сомнения эти были вызваны изобретением фотографии, или способности света расщеплять молекулы солей серебра, а также фотоэффекта – способности света «вырывать» из металла особые неведомые тогда частицы – электроны. А далее были сделаны и новые открытия, которые превратили «легкие облака» в грозовые тучи, смешавшие все, казалось бы, незыблемые представления о природе света.

Смертельный удар по электромагнитной волновой теории света нанесла в самом конце XIX в. так называемая «ультрафиолетовая катастрофа». Дело в том, что согласно этой теории любое тело должно постоянно излучать в пространство волновую энергию, а следовательно, терять ее и охлаждаться. Причем вплоть до абсолютного нуля. А так как излучаются все частоты, включая очень энергоемкие – ультрафиолетовые, то и катастрофа «глобального» охлаждения всех тел была названа «ультрафиолетовой».

Но если этого в природе не происходит, то, следовательно, волновая электромагнитная природа света бессмысленна. Выход из «ультрафиолетового» тупика был найден немецким физиком Максом Планком (1858—1942). Он предположил, что энергия электромагнитного излучения выделяется не непрерывно, а порциями, называемыми квантами (вспомним старого «хорошо забытого» Гюйгенса!). И оказалось, что при больших частотах (т. е. хотя бы для того же ультрафиолетового диапазона) эти кванты настолько велики, и на их создание затрачивается такая большая энергия, что на излучение ее уже и не хватает. Вывод Планка был таков – при больших частотах энергия излучения практически равна нулю, и никакая «ультрафиолетовая катастрофа» нам не угрожает.

Квантовая гипотеза прекрасно объясняла и явление фотоэффекта и химического действия света, в том числе и фотосинтез, которому мы обязаны жизнью на Земле, и многое другое. Но оказалось, что эта гипотеза не отбросила волновую гипотезу, а прекрасно с ней сжилась. Полученный «симбиоз» двух гипотез объяснял уже все свойства электромагнитного излучения, в том числе и света.

А практически получилось следующее:

– при распространении свет ведет себя скорее как волна, а при возникновении и поглощении – скорее как частица;

– при больших частотах главную роль играют квантовые («корпускулярные») свойства света, а при малых – волновые.

Вот такой «двуликий Янус» получается! Время примирило соперников и сделало правыми и Ньютона, и Гюйгенса. И даже древнего Пифагора, который тоже, оказывается, был прав. Одним словом, история науки показывает, что все, кто работали, создавали теории, экспериментировали, спорили, ломали копья, кого возвеличивали и кого опровергали, «сбрасывали с пьедестала», все оказались правыми. Всем нашлось место в нашей памяти, в учебниках, в энциклопедиях и справочниках. Не нашлось и не найдется там места лишь тем, кто «жалел» себя и ничего не делал. Такова жизнь!

Как мы смотрим на мир?

Разговаривая о свете, мы просто обязаны знать, как видят глаза. Иначе мы, чего доброго, будем, как древние, думать, что из глаз исходят тонкие щупальца, ощупывающие все вокруг.

Примитивный глаз, так называемый сложный, или фасеточный, характерен для насекомых и ракообразных. Состоит такой глаз из множества отдельных «глазков» – фасеток, покрывающих выпуклый сложный глаз насекомого. Такие глаза хорошо видят широко вокруг, особенно движение, но нечетко. По сравнению с головой насекомого, например, мухи, глаза эти очень велики, они занимают большую часть «лица» мухи.

Простейшие животные, не имеющие специального органа зрения, если и «видят» свет, то просто ощущают его кожей. Также кожей ощущают свет и слепые. Скорее всего, они чувствуют тепло, приносимое светом.

Когда говорят об эволюции видов и учении Дарвина, вопрос о глазе животных встает в первую очередь. Как фасеточный глаз мог путем эволюции превратиться в принципиально новый «прибор» – глаз высокоразвитых животных и человека? Рассмотрение устройства и принципа работы такого глаза показывает, что этого быть не могло.

Рис. 121. Преломление света в призме

Чтобы понять работу глаза, рассмотрим сперва, как свет проходит через стеклянную, да и вообще прозрачную призму (рис. 121). Допустим, какой-нибудь одноцветный пучок света DЕ падает на грань призмы АВ. При переходе из одной прозрачной среды (воздуха) в другую (стекло) луч преломляется, и угол δ, на который он отклонился, зависит от так называемого коэффициента преломления, в данном случае стекла. В стекле луч идет по направлению ЕF, а по выходу из него снова преломляется и идет по направлению FG. Если мы возьмем равнобедренную призму (рис. 122, а) и пошлем лучи света перпендикулярно грани АВ, то они по законам преломления света полностью отразятся от грани АС и выйдут наружу совсем так, как если бы вместо грани АС было зеркало. Если же мы поставим призму так, как изображено на рис. 122 б, то лучи света, отразившись от грани АС, поменяются местами – нижний луч 3 уже станет верхним, а верхний 1 – нижним. Эта последняя призма называется оборотной.

Рис. 122. Поворотная (а) и оборотная (б) призмы

Рис. 123. Преломляя лучи, линзы действуют как совокупности призм: а – выпуклые линзы; б – вогнутые линзы

Так можно перевернуть изображение «вверх ногами». Запомните это свойство оборотной призмы, оно нам еще пригодится. А теперь, узнав о свойствах призм, перейдем к линзам (это слово в переводе с немецкого означает «чечевица», которая очень похожа на выпуклую линзу). Они бывают выпуклыми, или собирающими (рис. 123, а), и вогнутыми, или рассеивающими (рис. 123, б). Рассматривая ход лучей в линзах, как бы состоящих из совокупности призм, получаем, что в собирающей линзе параллельные лучи «соберутся» в фокусе F, а в рассеивающей – «рассеются» так, как будто этот фокус F расположен по другую сторону линзы (мнимый фокус). Обратная величина фокусному расстоянию (от фокуса до центра линзы) называется оптической силой и выражается в диоптриях. Если фокусное расстояние наших очковых линз, например, 0,1 м, то их сила равна 1/0,1 = 10 диоптрий.

Рис. 124. Ход лучей в линзе

Если какой-нибудь предмет АВ (рис. 124) находится достаточно далеко от линзы, то, построив ход лучей от точек А и В, мы получим по другую сторону линзы перевернутое его изображение А1В1. При этом размеры изображения А1В1 во столько раз больше (или меньше) размеров предмета АВ, во сколько расстояние от линзы изображения больше (или меньше) расстояния от нее предмета. Иными словами, размеры пропорциональны расстояниям от линзы. На рисунке изображение А1В1 ближе к линзе, чем предмет АВ, потому оно и пропорционально уменьшено по сравнению с последним.

А теперь перейдем к человеческому глазу (рис. 125). Внешняя оболочка глазного яблока – склеротика S, передняя прозрачная часть которой С носит название роговой оболочки. Внутренняя сторона склеротики покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов. В передней части сосудистая оболочка переходит в радужную оболочку i, посередине которой находится круглое отверстие – зрачок р.

Рис. 125. Устройство глаза человека

Внутри глаза на сосудистой оболочке находится сетчатая оболочка r, представляющая собой разветвление зрительного нерва с нервными окончаниями в виде палочек и колбочек.

Во внутренней полости глаза, сзади радужной оболочки, находится прозрачное хрящевидное тело L – хрусталик. Хрусталик с помощью особых мускулов может изменять свою кривизну. Против хрусталика на сетчатке находится желтое пятно g, обладающее наибольшей чувствительностью к свету.

При помощи мышц глаз устанавливается так, что изображение предмета попадает на желтое пятно. Пространство между роговой оболочкой и хрусталиком наполнено бесцветной жидкостью – водянистой влагой. Остальную часть глаза между хрусталиком и сетчаткой заполняет студнеобразное стекловидное тело. Показатель преломления этих двух сред примерно 1,33, показатель преломления хрусталика около 1,5. Преломляющая система глаза в целом может быть рассматриваема как двояковыпуклая линза со средним фокусным расстоянием 1,7 см, или оптической силой около 60 диоптрий. Это сильнейшее «увеличительное стекло». Очки в 10 диоптрий мы считаем сильными, а тут 60!

Здесь не мешало бы спросить себя, а не вверх ли ногами расположен весь окружающий мир, если мы его видим правильно? Ведь изображение на сетчатке-то перевернутое! Вот интересный опыт, который, если захотите, можете провести и вы.

Ученые изготовили очки, в которые вместо стекол вставили по две оборотные призмы (их можно вынуть из полевого бинокля). И человек, надевший эти очки, стал все видеть «вверх ногами». Сначала ему было страшно ходить, потом он привык, а к концу недели ему стало казаться, что он видит все правильно. Еще какое-то время человек продолжал носить эти очки, чтобы совсем привыкнуть. И когда он снял очки-перевертыши, то весь мир стал ему казаться перевернутым «вверх ногами». Новорожденный тоже видит мир таким, а потом на опыте убеждается, что действительно все наоборот, и привыкает. Очки-перевертыши позволяют нам видеть мир таким, каким его видит младенец.

Когда зрение нормальное, т. е. глаз имеет примерно 60 диоптрий, то лучше всего человек видит на расстоянии 0,25 м. Но существуют глаза с оптической силой и больше, и меньше этой величины, что соответственно означает близорукие или дальнозоркие глаза.

Лучи света, идущие от какого-нибудь отдаленного предмета, в близоруком глазу сходятся не на сетчатке, а ближе нее в точке D (рис. 126, а), поэтому близорукие люди смутно видят отдаленные предметы. Близорукость может быть исправлена ношением вогнутых очков.

Рис. 126. Ход лучей в близоруком (а) и в дальнозорком (б) глазу (сплошные линии – без очков; штриховые – в очках)

Оптическая сила дальнозоркого глаза меньше нормального, вследствие чего лучи, идущие от сравнительно близких предметов, сходятся за сетчаткой в точке В (рис. 126, б). Исправить этот недостаток можно ношением выпуклых очков.

Первые упоминания об очках относятся к 1280 г., когда итальянский физик Сальвино делла Армати изготовил первые очки из двух линз. Некоторые считают, что первые очки в Европе изобрел в XIII в. Роджер Бэкон, английский монах и философ.

Но люди знали о линзах, исправляющих зрение, еще в античном мире. Тогда уже прекрасно полировали драгоценные камни и не могли не заметить свойств прозрачных камней с выпуклой или вогнутой поверхностью. Известно, что сумасбродный римский император Нерон был близорук и для улучшения зрения приставлял к глазу полированный изумруд, по-видимому, выполненный в виде рассеивающей линзы. А в гробнице фараона Тутанхамона найдены очки с темно-коричневыми стеклами в бронзовой оправе, по-видимому, солнцезащитные. Им 3 300 лет.

А зачем человеку два глаза? Может быть, хватило бы и одного? Кутузов, Нельсон, Потемкин и многие другие славные люди лишились одного глаза, но тем не менее видели вроде бы нормально. Да, острота зрения у них могла быть и высокой, но они видели мир… плоским.

Когда предмет рассматривается обоими глазами, то на сетчатке каждого из них получается изображение этого предмета. Тем не менее когда изображения попадают на соответствующие места сетчатки, то мы не видим предметов двойными. В этом случае два впечатления сливаются в одно.

Рассматривая предмет обоими глазами, мы ощущаем три измерения: ширину, высоту и глубину, и ясно отличаем более близкие предметы от удаленных. При зрении одним глазом восприятие трехмерного пространства значительно ослабляется. Зрение двумя глазами позволяет нам также судить о величине предмета и его удаленности от глаза.

Рассматривая предмет двумя глазами, мы сводим линии зрения то на более близкие, то на более удаленные точки предмета. При этом глазные мышцы испытывают различные напряжения. По степени этих мышечных напряжений мы на основании жизненного опыта и судим об удаленности от нас предмета.

И мир приобретает свой объем, он воспринимается нами в так называемом стереоскопическом изображении.

С одним глазом – лучше!

Итак, обычный человек смотрит двумя глазами, у него, как говорят, бинокулярное зрение. Между тем одним глазом человек видит лучше, острее. Даже монах и философ XIII в. Р. Бэкон писал: «Мы видим одним глазом лучше, чем двумя, потому, что жизненные духи сосредотачиваются при этом в одном месте». В то же время не зря у нас, да и не только у нас, а почти у всех животных (кроме камбал «в возрасте», у которых «нижний» глаз не функционирует) по два глаза. Мы знаем, что это для «объемного», стереоскопического зрения. А всегда ли два глаза лучше, чем один? Оказывается, не всегда.

Рис. 127. Прозрачный кубик с пятнами – как его видит левый (а) и правый (б) глаз

В первую очередь это касается рассматривания фотографий. Ведь фотографии делались с помощью одного, причем «стеклянного» глаза – фотоаппарата. Значит, и рассматривать их надо тоже одним глазом; тогда мы получим реальное зрительное впечатление. Если же смотреть двумя глазами, то мы как бы обманываем свой мозг. Он-то «знает», что при бинокулярном зрении изображения в правом и левом глазу разные и эта «разность» дает объем изображению. А тут – в обоих глазах одна и та же картина. Значит, она в действительности плоская, решает мозг.

Но, даже рассматривая фотографию одним глазом, мы должны держать ее на соответствующем расстоянии от глаза. Рассматривать ее надо под тем же углом зрения, под каким фотоаппарат сам «видел» ее. Это касается фотографий, полученных непосредственно без увеличения, например камерами «Полароид». Тогда мы должны держать фотографию перед глазом на расстоянии, равном фокусному расстоянию фотокамеры. А это очень мало – несколько сантиметров. Только очень близорукие люди и маленькие дети могут рассмотреть фотографию со столь близкого расстояния. Они-то и увидят настоящую, «живую», рельефную картину! Что же делать людям с нормальным зрением? Да просто взять лупу и рассмотреть фотографию с увеличением во столько раз, во сколько раз расстояние ее от глаза больше фокусного расстояния камеры. Это легко получается передвиганием лупы между фотографией и глазом: на каком-то расстоянии фотография «заиграет», вы увидите ее объемной. Обязательно сделайте этот опыт, и вы поймете, как надо правильно рассматривать фотографии!

Такого же эффекта мы добиваемся, когда рассматриваем слайды через лупу на просвет. Вы заметили, наверное, сколь велика разница между слайдом, рассматриваемым простым глазом и через специальный аппарат с лупой.

Рис. 128. Рассматривать фотографию надо под тем же углом зрения, под каким «видит» ее фотоаппарат

Можно ли добиться такого же эффекта без лупы, глядя на фотографию (конечно же, одним глазом!) с приемлемого расстояния, например, на выставке? Оказывается, можно. Для этого нужно, чтобы фокусное расстояние камеры было 25—30 см, т. е. оно было бы равно нормальному расстоянию рассматривания. Поэтому в фотоателье до сих пор используют для художественных фотографий такие длиннофокусные фотокамеры. Они крупны, неудобны, но дают «живые» фотографии.

Почти тот же эффект дает увеличение негативов в фотоувеличителе. Например, если фокусное расстояние камеры около 4 см, то, чтобы рассматривать фотографию с нормального расстояния, нужно увеличить ее примерно в 8 раз, что, впрочем, обычно и делается. Большие фотографии с увеличением в 20 и более раз нужно и рассматривать с большего расстояния, что и делается на выставках. Кстати, с большого расстояния фотографии можно рассматривать уже двумя глазами. Особенность зрения такова, что с увеличением расстояния две одинаковые картины в правом и левом глазу уже не дают плоского изображения.

А как же быть, когда увеличение уж очень велико? Например, в кинотеатре. Автора с детства поражало то, что в театрах зрители стремились занять передние ряды, а в кино – задние. Да и цены были соответствующие – в театрах дороже всегда передние ряды, а в кино – эти ряды были самыми дешевыми. Автор же все равно пытался сесть в кино в первый ряд, если даже билет был на ряд подальше. С первого ряда изображения на экране казались живыми, как будто в стереокино. Здесь срабатывал «эффект лупы» при рассматривании фотографий.

А на каком расстоянии от экрана надо садиться, чтобы видеть изображение нормально, как в жизни? Для определения этого расстояния надо бы знать фокусное расстояние камеры, которой снимали фильм. Тогда при ширине пленки в 24 мм мы должны сесть на расстоянии от экрана во столько раз большем, чем ширина изображения на экране, во сколько раз фокусное расстояние больше 24 мм. Обычно оно бывает от 1,5 до 4 раз больше ширины пленки. Значит, надо ширину изображения на экране увеличить от 1,5 до 4 раз. Если эта ширина, например, 5 м, то сесть лучше на расстоянии 7,5 – 20 м от экрана.

Ну а как же быть с фотографиями в иллюстрированных журналах? Ведь мы рассматриваем их, не зная ни фокусного расстояния камеры, которой эта фотография снималась, ни последующих увеличений при получении полиграфического изображения. Расстояние это лучше всего определять так. Один глаз нужно закрыть и, держа иллюстрацию на вытянутой руке, смотреть прямо в середину фотографии. Потом медленно приближать ее к глазу, улавливая момент, когда иллюстрация приобретет максимальную рельефность. На таком оптимальном расстоянии рассматривания вы уловите даже чисто стереоскопические эффекты, например прозрачность, блеск мокрой кожи, перспективу изображения и т. д. Если это не поможет, придется прибегать к помощи лупы – значит, изображение в журнале сделано непрофессионально.

А как же правильно рассматривать картины? Ведь здесь нет никакого фокусного расстояния или увеличения.

Совет тот же, что и с фотографиями: смотреть одним глазом, лучше через специальную трубочку или даже кулак с небольшой щелкой в нем (так часто делают сами художники). На рис. 129 приведена фотография автора, когда его засняли именно в момент рассматривания картины через щелку в кулаке. Многим была непонятна эта нелепая поза с кулаком у глаза, но вы уже знаете, что картины лучше всего рассматривать именно так!

Рис. 129. Автор рассматривает картину «в кулак»

Да и расстояние от картины должно быть таким, с какого предположительно художник и рисовал свою натуру. Или предполагал его, если рисовал по памяти. Интересно, что нередко уменьшенные фотографии с картин дают при рассматривании большую рельефность, чем сама картина. Теперь нам понятно, почему это происходит. Мы пытаемся рассматривать изображение с расстояния 25—30 см, а художник, возможно, рисовал натуру с расстояния в 10 раз большего. Так вот, если в это же число раз уменьшить изображение картины, то можно и рассматривать ее с удобного расстояния. Теперь вы видите, как непросто не только написать картину или сделать хорошую фотографию, но и правильно рассмотреть их!