Свет И Цвет

Венцы

Цвета интерференции в масляных пятнах

На влажном после дождя темном асфальте дороги мы нередко видим пятна, состоящие из концентрических цветных кругов; диаметр пятен достигает иногда 50 см. В некоторые дни и на некоторых дорогах пятна могут оказаться очень красивыми, хотя, как правило, в большинстве своем — это неприглядные серо-синие пятна. Они, очевидно, связаны с каплями масла от проезжающих автомобилей. Каждая капля растекается очень тонким слоем, и сложение света, отраженного от верхней и от нижней поверхностей слоя, вызывает появление цветов интерференции, иными словами, знаменитых «колец Ньютона»,— тех же, что и в великолепных цветах мыльных пузырей. Их объяснение можно найти в обычном учебнике физики; я только хочу отметить, что здесь перед нашими глазами доказательство того, что свет — это волновое явление.

Цвета перечислены в следующей таблице (при переходе от внешней части пятна к его центру); толщина масляного слоя дана в микронах мк (1 мк = 0,001 мм).

(далее...)

Цвета на замерзшем оконном стекле

Это малоизученное явление можно регулярно наблюдать в холодные зимние вечера (—10°), находясь в поезде или автобусе. Пары дыхания пассажиров конденсируются и замерзают на окнах старого железнодорожного вагона. Каждый фонарь, мимо которого проходит поезд, вызывает великолепную игру цветов: одни участки тонкого намерзшего слоя становятся небесно-голубыми, другие — зелеными или красными. Эти цвета кажутся более или менее одинаковыми на площади около 1 см 2, и все они наблюдаются только в проходящем, но не в отраженном свете. Оттенки настолько чисты и красивы, что вам это невольно кажется чем-то чудесным. Явление длится несколько минут, а затем слой льда достигает толщины в несколько десятых миллиметра, и цвета исчезают.

Если вы подышите на очень холодное оконное стекло, влага вашего дыхания, по-видимому, замерзнет сначала в маленькую полушаровую глыбку льда; приблизительно через полминуты в слое возникнут трещины, и ледяные частицы объединятся в маленькие группы, пока, наконец, они не образуют длинных игл, между которыми можно видеть прозрачный лед. Только на стадии видны цвета; это и объясняет их кратковременность. Другая типическая особенность состоит в том, что фонарь или другой источник света сами кажутся окрашенными и окруженными ореолом дополнительного цвета; например, днем яркие участки снежного пейзажа кажутся розово-красными, а более темные — зелеными.

(далее...)

Дифракция света

Ночь. Вдалеке шум автомобиля, приближающегося к нам. Его фары бросают ослепительные лучи света на широкую дорогу. Велосипедист случайно пересекает эти ослепительные лучи так, что мы на мгновение оказываемся в его тени. И тогда внезапно силуэт велосипедиста обрисовывается удивительно красивым светом, как будто излучаемым краем силуэта. Тот же эффект можно наблюдать у пешеходов и у деревьев. Это — эффект дифракции. Дифракцией называют искривление световых лучей у края непрозрачного экрана, при котором часть волнового фронта проникает в область, где согласно законам геометрической оптики следовало бы ожидать тень. Интенсивность отклоненного света велика, если угол отклонения очень мал, но быстро уменьшается для больших углов. Картина особенно красива, когда велосипедист далеко от нас, а автомобиль далеко за ним.

Подобное явление, но большего масштаба, можно наблюдать в гористой стране. Если воздух чист, то, стоя в тени холма, вы видите темные очертания покрывающих его деревьев на фоне утреннего неба. Когда Солнце вот-вот должно показаться из-за холма, деревья, расположенные там, где свет ярче всего, окаймляются сверкающим серебристо-белым сиянием.

(далее...)

Дифракция света на малых царапинах

Если вы посмотрите на Солнце через окно поезда, вы увидите тысячи чрезвычайно тонких царапин на стекле, располагающихся концентрически вокруг Солнца. Через какую бы часть окна мы ни смотрели, картина будет одна и та же. Из этого можно сделать вывод, что стекло сплошь во всех направлениях покрыто мелкими царапинами, хотя мы замечаем лишь те из них, которые направлены перпендикулярно к плоскости падения световых лучей. Это происходит потому, что каждая царапина рассеивает свет лишь в плоскости, перпендикулярной к ее собственному направлению, и потому видна лишь наблюдателю, расположенному в этой плоскости.

Когда такие царапины очень тонки, уже нельзя говорить об отражении или преломлении. В этом случае отклонение световых лучей лучше рассматривать как дифракцию. Если тщательно всмотреться в одну из таких царапин, вы увидите, что в определенных направлениях она показывает великолепные цвета в любых сочетаниях; если воспользоваться николем или поляроидом, вы найдете, что свет сильно поляризован, когда направления падения и наблюдения наклонны. Все эти явления очень сложны. Подобные явления дифракции вы обнаружите и в нитях паутины, которые сияют одним и тем же цветом, если рассматривать каждую нить в отдельности. Это доказывает, что диаметр такой нити везде одинаков.

(далее...)

«Венцы»

Тонкие белые барашки облаков медленно скользят перед Луной. Наш взгляд невольно притягивается к этой освещенной части неба — центру ночного пейзажа. И каждый раз, когда появляется еще одно небольшое облако, мы видим вокруг мягко светящей Луны чудесные разноцветные кольца, диаметр которых лишь в несколько раз больше диаметра Луны. Во Фландрии существует поговорка, что это «месяц сидит во дворце».

Рассмотрим более тщательно последовательность этих цветов. Непосредственно к Луне примыкает синеватая кайма, переходящая в желтовато-белую, которая в свою очередь имеет коричневатый внешний край. Этот ореол и есть венец в его простейшей и чаще всего встречающейся форме. Он становится действительно замечательным, когда его окружают большие и еще более красивые окрашенные кольца. Последовательность этих цветов указана в приводимой ниже таблице, которая почти точно согласуется с ньютоновой шкалой цветов интерференции, с тем лишь отличием, что метеорологи разграничивают различные «порядки» несколько По-другому, чем физики, а именно так, чтобы каждая группа оканчивалась красным. В очень редких случаях за ореолом можно наблюдать три группы («четырехкратный венец»):

(далее...)

Объяснение венцов

Венцы, которые мы видим в облаках, образуются вследствие дифракции света на каплях воды в облаке. Чем меньше капли, тем больше венец. Если все капли одинаковой величины, венцы хорошо развиты и цвета их чисты; если же в облаках перемешаны капли разных размеров, венцы различной величины возникают одновременно и накладываются друг на друга. Поэтому хорошо развитые венцы возникают лишь в совершенно определенных видах облаков, в которых условия конденсации водяных паров всюду достаточно постоянны; по той же причине тонкие различия в последовательности цветов зависят от числа капель различной величины, от толщины облаков и т. д. Основные положения этой теории таковы:

а) Дифракция на сравнительно плотном облаке, состоящем из водяных капель одинаковой величины, происходит так же, как на одной капле, лишь интенсивность дифрагировавшего света больше.

(далее...)

Природ венца

Наблюдая венец, очень трудно сказать, возникает ли он на водяных каплях или на ледяных иглах. В случае ледяных игл расстояния между последовательными темными минимумами в точности одинаковы и равны расстоянию первого минимума от центра, в то время как в случае водяных капель радиус ореола на 20% больше, чем ширина колец следующих порядков Однако подметить эти различия нелегко. Наилучшие измерения указывают в одни моменты на один способ образования, в другие моменты — на другой, в обоих случаях согласно с тем, что следует ожидать, судя по виду облаков.

При непосредственном наблюдении с самолета оказалось, что венец в 45% возникает на водяных каплях, а в 55% — на ледяных кристаллах.

(далее...)

Венцы на оконном стекле

Проходя зимней ночью мимо окон хорошо освещенного кафе, мы часто видим, что люстры окружены цветными кольцами, появление которых обусловлено влагой на окнах. В одних частях окна кольца больше, чем в других. Нередко мы видим лишь ореол, иногда, однако, цветные кольца неожиданно прекрасны; одни стекла как бы всегда создают лучшие венцы, чем другие. Причина в том, что венцы возникают вследствие дифракции света на мелких каплях воды на оконном стекле, и чем однороднее капли по размеру, тем красивее венец. Возможно, что капли конденсируются ровнее на одних сортах стекла, чем на других.

Эти венцы имеют большое сходство с возникающими в облаках, да и способ их образования тот же самый. В одном случае капли, на которых происходит дифракция, находятся на окне, в другом они как частицы облака парят высоко в воздухе. И все же есть различие между венцом на стекле и венцом в облаках: в первом случае источник света окружен темным полем вместо светящегося ореола. По-видимому, это вызывается однородным распределением капель, которые образуются на равных расстояниях друг от друга, в то время как в облаке капли распределяются неравномерно.

(далее...)

Световые венцы, возникающие в глазу

Ночью я вижу слабый световой круг возле дуговой электрической лампы или другого яркого источника света, хорошо выделяющийся на темном или черном фоне; такие же круги видны вокруг Луны, если небо ясно, и вокруг Солнца, когда свет его вдруг прорывается сквозь плотную листву дерева. Диаметр этого светового круга составляет приблизительно 6°. Он синий к центру и красный у периферии; таким образом, его следует приписать дифракции, но не преломлению. Он очень сходен с венцом на облаках, однако здесь есть и существенное отличие. Если Луна только что скрылась за углом дома, «облачный венец» остается видимым, в то время как «глазной» исчезает сразу, как только заслоняется источник света. Очевидно, он возникает в самом глазе, т. е. это явление энтоптическое.

Может ли такой венец возникать в глазу на малых зернах, приблизительно одинаковой величины, на которых свет дифрагирует так же, как на порошке ликоподия и на водяных каплях в облаке? Это действительно верно по отношению к некоторым людям.

(далее...)

Зеленое и синее Солнце

Один наблюдатель сообщил нам, что однажды, когда он смотрел на Солнце сквозь столб пара, извергавшегося из трубы паровоза, Солнце трижды становилось ярко-зеленым; в другие моменты клубы пара вообще не оказывали никакого действия Я также однажды заметил подобный эффект во время отправления местного поезда Паровоз (очень старой модели) извергает облака пара, которые на мгновение затемняли низкое Солнце, пока не рассеивались в воздухе. В тe моменты, когда Солнце можно было увидеть вновь, его цвет был иногда светло-зеленым, иногда бледно-синим, или один цвет переходил в другой. Через доли секунды свет становился настолько резким, а облако настолько тонким, что уже ничего нельзя было увидеть.

Явления, подобные этим, возникают, когда капли воды, из которых состоит пар, очень малы от 1 до 5 мк. Здесь уже неверно описывать их действие на свет, заменяя водяные капли малыми отверстиями или непрозрачными дисками, на которых происходит дифракция. Приближенно это явление можно рассматривать, исследуя сочетание дифракции, отражения от поверхности и прямого пропускания света

(далее...)

Глория

Стоя на вершине холма, когда Солнце низко, мы можем иногда видеть нашу тень вырисовывающейся на слое тумана. В этом случае голова тени будет окружена глорией — сиянием с такими же яркими цветами, как у венцов вокруг Солнца и Луны Однажды наблюдалось сияние, насчитывающее пять порядков. Заметим, однако, что хотя каждый видит и свою собственную тень, и тени своих спутников, если они достаточно близки и туман достаточно далеко, глорию можно видеть только вокруг своей головы.

Глорию можно наблюдать и при свете уличного фонаря, если только фон достаточно темен.

(далее...)

Радужные (иризирующие) облака

Тот, кто не привык наблюдать небо, будет удивлен, узнав, что облака могут быть светящимися яркими цветами: зеленым, пурпурно-красным, синим и т. д. Эти цвета не имеют отношения к сумеречным явлениям: они наблюдаются и тогда, когда Солнце низко, и тогда, когда оно высоко. Эти цвета беспорядочно разбросаны среди облаков в виде окрашенных краев, пятен и полос. Некоторые наблюдатели подчеркивают, что они имеют «металлический» блеск; что бы это могло значить? При виде этих облаков мы испытываем чувство глубокого восхищения, которое трудно описать, но легко объяснить грандиозностью явления, чистотой цветов, их нежными переливами, их сиянием. Невозможно отвести глаза от этого великолепного зрелища.

Такие иризирующие облака появляются во все времена года, но особенно часто осенью. Они появляются около Солнца, и на расстоянии меньше двух градусов от него кажутся ослепительно белыми. Сквозь темное стекло — это лучший способ наблюдения — их можно видеть на расстоянии от 3 до 10°, а незащищенным глазом — от 10 до 30° от Солнца. Чаще всего они пурпурно-красные или желтые и становятся бледнее с увеличением расстояния от Солнца. Очень немногие наблюдатели видели радужные облака на значительном расстоянии от Солнца (до 50°) и даже около противоположной Солнцу точки.

(далее...)

Перламутровые облака

Существует очень редкий и замечательный вид радужных облаков, представляющий собой явление гораздо большего масштаба, чем обычные формы. Вся гряда облаков переливается радужными цветами, как рыбья чешуя, показывая иногда восхитительные чистые тона. Эти тона особенно хороши перед самым заходом Солнца на расстоянии 10—20° от него. Отличительное свойство этих облаков — Ъ том, что они остаются видимыми в течение двух часов после захода Солнца — факт, который указывает на большую их высоту. Недавно более точными методами их высота была определена в 25 км, в то время как обычные облака никогда не поднимаются выше 12 км. Из-за большой высоты этих облаков кажется, что они передвигаются очень медленно; в действительности же они несутся со скоростью от 10 до 90 м/сек. Когда перламутровые облака темнеют, они совершенно внезапно, приблизительно за четыре минуты, погружаются в темноту. Это — интервал времени, необходимый для того, чтобы диск Солнца скрылся под горизонтом. Таким образом, кажется весьма вероятным, что эти облака освещаются не сумеречным светом, а прямым светом Солнца.

Расположение цветов в них зависит почти полностью от части облака. Иногда эти облака испещрены полосами, волнисты и напоминают перистые, иногда вся облачная гряда почти одного цвета с цветами спектра вдоль краев или длинных горизонтальных «весел», между которыми можно видеть необыкновенный опаловый фон неба. Цвета порой остаются постоянными, порой постепенно меняются. Они исчезают, когда расстояние облака от Солнца превышает 40°. Вся картина сказочна и неописуемо прекрасна.

(далее...)