Расплетая радугу. Наука, заблуждения и потребность изумляться

Но почему в результате замедления свет продолжает распространяться под другим углом? Если направить световой луч точно перпендикулярно поверхности стекла, он продолжит двигаться под тем же углом, прямо по курсу, просто с меньшей скоростью. Однако луч, падающий на поверхность не перпендикулярно, не только замедляется, а еще и отклоняется, продолжая распространяться теперь уже под меньшим углом. Почему? Физиками был сформулирован так называемый принцип наименьшего действия, который если и не вполне годится в качестве окончательного объяснения, то по крайней мере способствует интуитивному пониманию. Суть дела хорошо изложена в книге Питера Эткинса «Переосмысленное мироздание» (1992 г.). Некий физический объект — в данном случае луч света — ведет себя так, словно стремится к экономии, старается что-то минимизировать. Представьте, что вы спасатель на пляже и ринулись на помощь тонущему ребенку. Каждая секунда на счету, и вам необходимо добраться до утопающего за как можно меньшее время. Бегаете вы быстрее, чем плаваете. Ваш путь по направлению к ребенку сначала проходит по суше, где вы двигаетесь быстро, а затем по воде — гораздо медленнее. Если тонущий не находится в море непосредственно перед тем местом, где вы стоите, как минимизировать время вашего передвижения? Вы могли бы двигаться по прямой, минимизируя расстояние, но это не сократило бы время, так как слишком большую часть маршрута пришлось бы проделывать вплавь. Вы могли бы добежать по прямой до кромки воды так, чтобы оказаться точно напротив ребенка, а затем уж плыть. Это позволило бы максимизировать длину пробежки за счет плавания, но даже такой путь не был бы самым быстрым — слишком велика была бы его общая длина. Нетрудно увидеть, что быстрее всего было бы добежать до воды под неким критическим углом (зависящим от соотношения скоростей, с которыми вы бежите и плывете), а на водной части маршрута резко изменить направление. В этой аналогии скорость плавания и скорость бега соответствуют показателям преломления для воды и для воздуха. Естественно, световые лучи не «стараются» преднамеренно минимизировать время своего распространения, но их поведение станет понятнее, если исходить из того, что они делают нечто подобное. Данная аналогия будет выглядеть солиднее в терминах квантовой теории, но это уже вне моей компетенции, так что рекомендую обратиться к книге Эткинса.

Спектр различных цветов появляется в связи с тем, что свет с разными длинами волн замедляется в неодинаковой степени: показатель преломления какого-либо вещества, скажем, стекла или воды, для синего света больше, чем для красного. Вы можете представить себе синий свет как неумелого, по сравнению с красным светом, пловца, то и дело вязнущего в атомах воды (или стекла) из-за своей небольшой длины волны. В воздухе атомы расположены менее плотно, так что все световые лучи увязают в нем меньше, однако синие все равно распространяются медленнее красных. А в вакууме, где увязать вообще не в чем, свет любого цвета имеет одну и ту же скорость: великую, универсальную, предельную c.

Капли дождя действуют сложнее ньютоновской призмы. Они имеют форму, близкую к сферической, и их задняя поверхность выступает в роли вогнутого зеркала. Таким образом, преломив солнечный свет, они еще и отражают его. Вот почему мы видим радугу, когда смотрим в противоположную от солнца сторону, а не когда глядим на него сквозь пелену дождя. Представьте, что вы стоите спиной к солнцу и смотрите на дождь — желательно при этом, чтобы он лил на фоне темных туч. Если солнце стоит выше 42 градусов над горизонтом, то никакой радуги мы не увидим. Чем солнце ниже, тем выше радуга. Когда утром солнце восходит, радуга, если таковая видна, опускается. А вечером, на закате, радуга поднимается. Итак, предположим, что сейчас раннее утро или вечер. Будем исходить из того, что каждая отдельно взятая дождинка представляет собой сферу. Солнце находится сзади и слегка над вами, и его свет проникает в эту каплю через верхнюю ее половину. На границе воздуха с водой он преломляется — и составляющие его волны разной длины отклоняются под разными углами, как в ньютоновской призме. Распустившиеся красочным веером цвета проходят сквозь содержимое капли и встречают ее вогнутую заднюю поверхность, которая отражает их назад и вниз. Лучи вновь покидают каплю, и некоторые из них оканчивают свой путь в вашем глазу. При обратном переходе из водной среды в воздушную они преломляются во второй раз — различные цвета снова отклоняются на разные углы.