Вселенная внутри вас

Традиционно этот феномен объясняют тем, что свет замедляется, переходя в более плотную среду, например в стекло линзы (или, в данном случае, в воду). Согласно закону сохранения энергии, при этом переходе возрастает частота, то есть волны следуют друг за другом чаще. Если вы представите себе широкий пучок света, попадающий на стекло под углом, то часть пучка, проникающая в стекло, должна увеличить частоту, а та часть, что еще находится в воздухе, сохранит прежнюю частоту. За счет этого происходит искривление волн.

Квантовая теория подходит к проблеме света и материи совершенно иначе. В соответствии с ней фотон может избрать любой из возможных путей, но с разной вероятностью. При прохождении по избранному пути он сохраняет уже упомянутое нами свойство изменения фазы с течением времени. Поскольку пути у каждого фотона разные, то и фаза при входе в стекло у каждого из них будет разной.

Чтобы понять, что происходит в действительности, необходимо произвести сложение всех фаз. Какие-то из них окажутся противоположно направленными и взаимно компенсируют друг друга. Останутся те фазы, которые ориентированы примерно в одном направлении – на путь, который потребует от фотонов минимального времени на прохождение. Хотя в принципе каждый фотон может избрать любой из потенциальных путей, на практике он ленив и пойдет по самому быстрому. Возможно, вы подумали, что это будет кратчайшая дистанция, то есть прямая линия, но ваш навигатор в автомобиле частенько доказывает, что лучше иногда сделать крюк по пустым дорогам, чем избрать прямой маршрут и потом торчать в пробках в центре города.

Принцип спасателя

Переходя из воздуха в воду или стекло, свет ведет себя так же, как спасатели на пляже. Представьте себе такого спасателя в красном жилете, который замечает, что кто-то тонет. Первое побуждение, которое возникает в таких случаях, – бежать к утопающему по прямой линии. Но это не самый быстрый путь. Лучше пробежать некоторое расстояние вдоль берега до того места, откуда плыть будет короче. Ведь бежать по земле всегда быстрее, чем плыть по воде. Общая дистанция при этом несколько увеличивается, но человек, терпящий бедствие, получит помощь быстрее.

То же самое происходит, когда свет переходит из менее плотной среды в более плотную (например, стекло или воду). Поскольку свет в стекле движется медленнее, он сможет попасть к месту назначения быстрее, если сначала проделает лишнюю часть пути по воздуху, а затем пройдет более короткую дистанцию в стекле. Это и есть «принцип спасателя», который экономит время на дорогу.

Во всех этих рассуждениях мы исходим из предположения, что скорость света в стекле замедляется. Но замедлить ее не так-то просто. На самом деле свет в любой среде должен двигаться с одинаковой скоростью. В противном случае он просто прекратит существование. Квантовая теория объясняет, почему такое замедление все же происходит. Фотоны постоянно взаимодействуют с материей, особенно с электронами, находящимися на периферии атомов. При слишком сильном сближении электрон поглощает энергию фотона и тем самым повышает уровень своей энергии.

Правда, в этом случае электрон обычно становится менее стабильным. Он с легкостью перескакивает в прежнее энергетическое состояние и излучает новый фотон. Возможно, этот фотон полетит в том же направлении, а может, совершенно в другом. В большинстве случаев в прозрачной среде реэмиссия фотона осуществляется в прежнем направлении, и прямолинейность движения света сохраняется. Но на поглощение и реэмиссию тратится определенное время. В связи с этим скорость света замедляется.

В непрозрачном веществе вторичные фотоны испускаются не в том направлении, в котором двигались прежде. Именно эти фотоны попадают в наши глаза, и в результате мы видим объект. Мы привыкли считать, что свет отражается от предметов, словно мяч от стенки, и попадает к нам в глаза. На самом деле он поглощается предметом и излучается повторно. Большинство объектов лучше поглощают свет определенной части спектра (превращая его в тепло). В зависимости от того, какую часть спектра объект поглощает и какую испускает, мы можем видеть его цвет. Например, если объект поглощает все цвета радуги, кроме красного, мы видим его красным.

Взгляд сквозь чечевицу

Поскольку линза, в том числе и та, что имеется в нашем глазу, по форме напоминает зерно чечевицы (само слово «линза», кстати, происходит от латинского lет – чечевица), пучок света, преломившийся в месте входа, проходит сквозь нее и повторно преломляется в точке выхода. Изогнутая поверхность линзы приводит к тому, что фотоны, летевшие первоначально в разных направлениях, собираются в одну точку. Если говорить о линзе, находящейся в передней части нашего глаза, то она фокусирует изображение отдаленных предметов на сетчатке, благодаря чему мы можем их видеть.