Расплетая радугу: наука, заблуждения и тяга к чудесам

Но почему замедление преобразуется в изменение угла? Если луч света будет прямо направлен на стеклянный блок, то он продолжится под тем же самым углом (прямо вперед), но будет замедленным. Однако если он попадает на поверхность под углом, он отклоняется к меньшему углу, поскольку начинает распространяться медленнее. Почему? Физики выдумали «Принцип наименьшего действия», который, будучи не совсем удовлетворительным в качестве окончательного объяснения, по крайней мере делает его чем-то, что мы можем близко воспринимать. Вопрос хорошо излагается в «Возвращаясь к вопросу о Сотворении» Питера Аткинса (1992). Некоторая физическая сущность, в данном случае пучок света, ведет себя, как будто добиваясь экономии, стараясь что-то минимизировать. Вообразите себя спасателем на берегу, мчащимся, чтобы спасти тонущего ребенка. Дорога каждая секунда, и вы должны потратить как можно меньше времени, чтобы добраться до ребенка. Вы можете бежать быстрее, чем плыть. Ваш путь к ребенку сначала проходит по земле и поэтому быстрее, затем через воду и намного медленнее. При условии, что ребенок находится в море не прямо напротив Вас, как Вы минимизируете время преодоления пути? Вы могли бы взять направление по прямой, минимизируя расстояние, но при этом не будет минимизировано потраченное время, потому что остается слишком большой путь через воду. Вы могли бы бежать прямо к тому месту на краю моря, которое находится непосредственно напротив ребенка, затем плыть в море прямо. Это максимизирует бег за счет плавания, но даже это — не самый быстрый курс из-за большего общего покрываемого расстояния. Легко понять, что самый быстрый курс должен пролегать к берегу под критическим углом, который зависит от отношения скорости Вашего бега к скорости Вашего плавания, затем резко переключиться на новый угол для пути вплавь. В терминах аналогии, скорость плавания и скорость бега соответствуют коэффициентам преломления воды и воздуха. Конечно, лучи света не «стараются» преднамеренно минимизировать время пути, но все, что касается их поведения, имеет смысл, если вы предполагаете, что они бессознательно делают нечто эквивалентное. Аналогия может быть выражена приемлемо в терминах квантовой теории, но это здесь выходит за пределы моей области, и я рекомендую книгу Аткинса.

Спектр зависит от того, что свет различных цветов, замедляется в различной степени: коэффициент преломления данного вещества, скажем стекла или воды, больше для синего света, чем для красного. Вы можете представить себе синий свет, как более медленного пловца, чем красный, запутавшегося в дебрях атомов в стекле или воде из-за своей короткой длины волны. Свет всех цветов меньше запутывается среди более редких атомов воздуха, но синий все равно распространяется медленней, чем красный. В вакууме, где вообще нет никаких дебрей, свет всех цветов имеет одну и ту же скорость: великую, всеобщую максимальную c.

Капли дождя имеют более сложный эффект, чем призма Ньютона. Будучи примерно сферической, их задняя поверхность действует как вогнутое зеркало. Таким образом, они отражают солнечный свет после его преломления, что является причиной, почему мы видим радугу в области неба напротив солнца, а не тогда, когда смотрим в направлении солнца сквозь дождь. Представьте, что Вы стоите спиной к солнцу, глядя в направлении дождя, желательно на фоне свинцового неба. Мы не увидим радугу, если солнце в небе будет выше, чем 42 градуса над горизонтом. Чем ниже солнце, тем выше радуга. По мере того, как солнце встает утром, радуга, если она видна, садится. По мере того, как солнце садится вечером, радуга поднимается. Поэтому давайте предположим, что сейчас раннее утро или время перед закатом. Представьте отдельную каплю дождя в виде сферы. Солнце сзади и немного выше Вас, и свет от него попадает в каплю дождя. На границе воздуха с водой он преломляется, и различные длины волн, составляющие солнечный свет, изгибаются на различный угол, как в призме Ньютона. Развернутые цвета проходят через внутреннюю часть дождевой капли, пока не достигают ее вогнутой дальней стенки, где они отражаются назад и вниз. Они снова покидают каплю дождя, и некоторые из них заканчиваются в Вашем глазу. В то время как они проходят из воды обратно в воздух, они преломляются второй раз, различные цвета снова изгибаются на различный угол.