Расплетая радугу: наука, заблуждения и тяга к чудесам

Исаак Ньютон создал личную радугу в темной комнате. Маленькое отверстие в ставне пропускало солнечный луч. На его пути он поместил свою знаменитую призму, которая преломляла (изгибала) солнечный луч на угол, первый раз, когда тот проникал в стекло, затем снова, когда он проходил через дальнюю грань снова в воздух. Когда свет падал на дальнюю стену комнаты Ньютона, цвета спектра ясно отображались. Ньютон был не первым, кто сделал искусственную радугу призмой, но он был первым, кто использовать ее, чтобы продемонстрировать, что белый свет является смесью различных цветов. Призма разделяет их, изгибая на различные углы, синий на более крутой угол, чем красный; зеленый, желтый и оранжевый — на промежуточные углы. Другие, понятное дело, думали, что призма изменяла качество света, безусловно подкрашивая его вместо того, чтобы выделить цвета из существующей смеси. Ньютон окончательно решил вопрос в двух экспериментах, в которых свет проходил через вторую призму. В своей решающем эксперименте за первой призмой он поместил разрез, который позволил проходить только маленькой части спектра, скажем, красной. Когда этот красный свет снова преломлялся второй призмой, появлялся только красный свет. Это показывало, что свет качественно не изменялся призмой, а просто разделялся на компоненты, которые обычно смешаны. В своем другом итоговом эксперименте Ньютон переворачивал вторую призму вверх тормашками. Спектральные цвета, которые были разделены первой призмой, сводились снова вместе второй. То, что получалось, было воссозданным белым светом.

Самый легкий способ понять спектр — через волновую теорию света. Особенность волн в том, что ничто фактически не проходит весь путь от источника до конечного пункта. Такое движение локальное и мелкомасштабное. Локальное движение вызывает движение в следующем локальном участке, и так далее на всем протяжении линии, как знаменитая волна на футбольном стадионе. Первоначальная волновая теория света, в свою очередь, была заменена квантовой теорией, согласно которой свет передается в виде потока дискретных фотонов. Физики под моим нажимом признают, что поток фотонов течет от солнца так, как не путешествуют футбольные болельщики с одного конца стадиона в другой. Однако остроумные эксперименты в этом веке показали, что даже в квантовой теории фотоны также все таки ведут себя и как волны. Для многих задач, включая нашу в этой главе, мы можем забыть квантовую теорию и рассматривать свет просто как волны, распространяющиеся от источника света, как рябь на воде, когда брошен камень. Но волны света движутся несравнимо быстрее и распространяются в трех измерениях. Расплетать радугу означает разделять ее на составные части с различными длинами волн.

Белый свет — смешанная комбинация длин волн, визуальная какофония. Белые объекты отражают свет всех длин волн, но, в отличие от зеркал, они при этом рассеивают его беспорядочно. Поэтому Вы видите свет, но не ваше лицо, отраженное от белой стены. Черные объекты поглощают свет всех длин волн. Цветные объекты, из-за атомного строения своих пигментов или поверхностных слоев, поглощают свет некоторых длин волн и отражают другие длины волн. Оконное стекло позволяет свету всех длин волн проходить сквозь него. Цветное стекло пропускает свет некоторых длин волн, поглощая свет других длин волн.

Что же такого в преломляющем свойстве стеклянной призмы или, при надлежащих условиях, капле дождя, что расщепляет белый свет на отдельные цвета? И вообще, почему лучи света преломляются стеклом и водой? Преломление происходит из-за замедления света, когда он переходит из воздуха в стекло (или воду). Он ускоряется снова, когда выходит из стекла. Как это может быть, учитывая авторитетное мнение Эйнштейна, что скорость света является великой физической константой вселенной, и ничто не может двигаться быстрее? Ответ в том, что легендарная предельная скорость света, выражаемая символом c, достигается только в вакууме. Когда свет распространяется через прозрачное вещество, такое как стекло или вода, он замедляется фактором, известным как «коэффициент преломления» этого вещества. Он замедляется также воздухом, но в меньшей мере.