# часть 7 Свет и Цвет

Алекс Бачи

Следующим важным этапом размышления станет привычное буквально для всех понятие - Свет.

Вступление


Следующим важным этапом рассуждения станет привычное буквально для всех понятие - Свет. Казалось бы, что можно сказать нового о явлении, которое за многие столетия должно быть изучено вдоль и поперёк? Увы, мы успешно пользуемся светом в повседневной жизни, до сих пор не имея однозначного ответа на вопрос:

Что это такое - частица, волна или излучение?

Поскольку при объяснении тех или иных эффектов, впрямую связанных со светом, современная наука руководствуется сразу несколькими теориями, так или иначе подходящими под каждый конкретный случай, нет никаких причин отказываться от рассмотрения этого физического явления под каким-то иным углом зрения. Как и прежде, в основе рассуждения сугубо механический подход, целиком основанный на материальности всех взаимодействующих объектов, независимо от их размеров.

Начнём, пожалуй...


Свет


Формулировка из учебника весьма лаконична:

Свет - электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим зрением.

Следует заметить, что информативность данного определения оставляет желать лучшего. Тем не менее, его можно использовать в качестве отправной точки для дальнейших рассуждений. Для начала поинтересуемся, что физика понимает под электромагнитным излучением. Смотрим:

Электромагнитное излучение - распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.

Далее следует очень важное дополнение:

Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, к излучению относят ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов.

Теперь у нас есть три определения, которые в совокупности способны дать ответ на вопрос:

Что такое свет?

Отбросив от них всё лишнее и оставив лишь главное, становится ясно, что электрический заряд назван единственной причиной возникновения электромагнитных полей и излучений, которые способны породить свет. Теперь дело за малым - подтвердить либо опровергнуть столь смелое утверждение. Итак...


Понимание того факта, что любые физические явления - это взаимодействие материальных объектов друг с другом, указывает на то, что свет возникает вследствие направленного движения неких материальных объектов, обладающих одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами. Заряд на такую роль вполне подходит, так как является комплексным объектом, элементы которого пребывают в солидарном движении.

Размер заряда - переносчика света, мы обсудим отдельно, а сейчас нам более важна структура его строения. Независимо от того, какой тип заряда мы рассматриваем - электрический, световой или тепловой, он всегда состоит из множества движущихся по замкнутым траекториям материальных объектов, относящихся к "младшему" масштабному уровню. В наиболее общем виде заряд можно представить в виде тороида, вращение которого происходит одновременно в двух направлениях - продольном, то есть, перпендикулярно оси вращения, и поперечном, как на следующей картинке:


Рис. 1


Может показаться, что два взаимно перпендикулярных направления движения невозможно увязать в реальном объекте, тем не менее, замкнутая спираль - модель, способная в полной мере проиллюстрировать такой тип подвижности:


Рис. 2


Спирали на картинке (рис. 2) - возможные траектории движения элементов, из которых состоит заряд. Поскольку элементы любого заряда относятся к "младшему" Иерархическому уровню, то их регистрация - задача физически недостижимая на существующем инструментальном уровне. При этом отдельную "частичку света" в качестве Единичного объекта уже сейчас можно попытаться зафиксировать с помощью ПЗС матрицы с электронным умножением, ведь световой заряд заметно крупнее электрического.

Согласно одной из ныне действующих теорий, переносчиком света является фотон - элементарная частица, не имеющая массы покоя. С некоторой долей условности любой заряд также можно считать материальным объектом неопределённой массы, поскольку это система элементов, пребывающих в постоянном движении. Такой объект не имеет определённой плотности и объёма, а это значит, что стандартные меры массы для него не подходят. В случае выражения массы заряда через количественный состав его элементов возникает другая проблема, их необходимо посчитать, что на данный момент также является невыполнимой задачей в силу отсутствия необходимого инструментария. Соответственно, световой заряд - это материальный объект, масса которого по тем или иным причинам неопределима. Таким образом, путём несложных логических построений мы выявили некое родство, а возможно, и тождественность таких понятий как - световой заряд и фотон.

Нелишне напомнить также, что разницы в строении между световым зарядом и электрическим нет, отличие лишь в их размерах. Чтобы далее не путать свет, тепло и электричество, предлагается такая формулировка:

Свет - направленный поток зарядов, имеющих размер, доступный для регистрации оптическими приборами, в том числе и органами зрения.

Нетрудно догадаться, каковы будут формулировки для электрического заряда и теплового. Конечно, их принципиальная разница лишь в физических размерах, а значит, для регистрации таких потоков будут использоваться уже другие инструменты и органы чувств. Но, вернёмся к основной теме данного размышления - свету.


Если отдельный заряд достаточно мал для того, чтобы его детально рассмотреть, то плотный поток, состоящий из таких объектов, уже хорошо заметен даже без применения каких-то специальных инструментов. Поскольку светом мы называем поток реально существующих материальных объектов, то его способность к выполнению какой-либо механической работы также под сомнение не ставится. Ближайшая природная аналогия свету - ветер, ведь молекулу газа столь же сложно обнаружить даже самым чувствительным прибором, но в общем потоке они вполне осязаемы, при этом нередко имеют значительную мощность, способную вращать лопасти ветряной мельницы или приводить в движение парусный корабль, вес которого может исчисляться многими тоннами. В современном мире сила ветра успешно используется, к примеру, для выработки электроэнергии.

Плотный поток зарядов, который мы называем светом, также способен на многое. Солнечный свет нагревает поверхность Земли, воду, атмосферу, запуская множество физических процессов, без которых существование жизни на планете было бы весьма неуютным. Преобразовать свет в электричество не составит особого труда, ведь в его составе обязательно присутствуют электрические заряды, которые нужно лишь отсортировать от всех прочих и направить в электрическую цепь. Солнечная панель с такой задачей вполне справится.


Солнце - источник света?


Вряд ли найдётся хоть один человек на Земле, сомневающийся в том, что источником света является Солнце. Собственно, и в научной среде на этот счёт царит удивительное единодушие. На нынешний момент существует лишь одна общепризнанная теория, согласно которой внутри Солнца происходит термоядерная реакция превращения водорода в гелий, а солнечный свет - побочный продукт этого процесса. Тем не менее, даже в такой, на первый взгляд безукоризненной модели, имеются слабые места.

К примеру, трудно согласиться с тем, что за более чем пять миллиардов лет существования Солнца весь водород внутри него не успел превратиться в гелий. Другая сложность заключается в том, что столь красивая теория до сих пор не подтверждена на практике - однажды начавшись, термоядерная реакция протекает молниеносно, и сразу прекращается. Все попытки как-то замедлить процесс не дали ожидаемого результата.

Возможно два варианта, почему происходит именно так:

- при проведении лабораторных опытов по термоядерному синтезу не учитывается какой-то очень важный фактор, без знания которого все подобные эксперименты обречены на неудачу, либо,

- ныне существующая теория о строении звёзд и процессах, в них происходящих, не соответствует действительности.

Какой из вариантов лучше отражает реальное состояние дел, покажет лишь время.


Но есть и другие причины для сомнений в верности существующей теории. Посмотрим на следующую картинку:


Рис. 3


Такой природный феномен (рис. 3) многие видели собственными глазами, его ещё называют - "сумеречные лучи", и объясняют искажением перспективы. Проще говоря, в действительности лучи по отношению друг к другу параллельны, но собственное зрение нас обманывает. Надо сказать, объяснение весьма шаткое, но логика подсказывает, что Солнце не может находиться сразу над облаками, а значит, глазам в таком важном вопросе доверять нельзя. Тем не менее, существует более адекватное объяснение этому феномену, ничуть не противоречащее ныне действующей системе знаний. Суть его заключается в следующем:

Атмосферные газы практически прозрачны для солнечного света и его реальный путь мы увидим лишь при возникновении определённых условий. Общеизвестно, что частички пыли или пар очень хорошо выявляют траекторию солнечных лучей в затемнённом помещении. Неплотная облачность позволяет повторить этот эффект с присущим природе размахом - солнечный свет падает на верхний облачный слой, а образуемый им "солнечный зайчик" выступает в роли вторичного излучателя, лучи от которого движутся совсем не так, как в случае ясной погоды. Высокая влажность воздуха при облачности лишь усиливает эффект, в результате чего и возникают "сумеречные лучи".

Если в первом случае мы нашли адекватное объяснение, не вступающее в явное противоречие с логикой и школьным курсом физики, то для следующего оптического феномена наука пока не имеет чёткого и однозначного ответа. Он заключается в том, что Солнце на рассвете и закате визуально крупнее, нежели то, что мы видим днём.


Рис. 4


Здесь (рис. 4) нас обманывают уже не собственные глаза, а оптические свойства атмосферы, ведь и так ясно, что дистанция между Солнцем и Землёй на протяжении дня не может измениться на сколь-нибудь заметную величину. Сотни и даже тысячи километров сезонных отклонений орбиты Земли всё равно несоизмеримы с миллионами, разделяющими два космических объекта. Тем не менее, цвет Солнца меняется значительно - от ярко красного утром и вечером, до ослепительно белого в полдень. Наука этот феномен объясняет тем, что красный цвет по отношению к другим имеет наибольшую длину волны, и ему проще пробиваться сквозь атмосферу, нежели синей части спектра - более коротковолновой. Отчасти такое объяснение согласуется с практикой, ведь в воздушной среде дальность прохождения инфракрасного излучения заметно выше, нежели ультрафиолетового. Тем не менее, красная и инфракрасная часть спектра заметно тормозится в газовой среде, которая у поверхности Земли достаточно плотная. Получается, что любое объяснение этого феномена не является однозначным.


Следует признать, что собственное зрение нас действительно часто обманывает, но есть ещё один малоизвестный научный факт, о котором столкнувшиеся с ним люди обычно умалчивают. Речь о том, как выглядит космос с околоземной орбиты.

Высоты, на которых проходят пилотируемые полёты, достаточно низкие - всего 300-400 км от поверхности планеты. То есть, примерно столько же, сколько от Москвы до Смоленска по автостраде. При этом атмосфера Земли по своим размерам во много раз больше. По разным оценкам она заканчивается на высотах от 1500 до 2000 километров, что составляет примерно четверть радиуса планеты и соизмеримо с расстоянием от Москвы до Берлина.

В отличие от спутников связи, обитаемая космическая станция находится в непосредственной близости от поверхности планеты, и пределов атмосферы не покидает никогда, так как это смертельно опасно для экипажа. Уже на высоте примерно 500 километров от Земли радиация столь значительна, что никакие существующие средства защиты от неё не спасают.

Есть и другая проблема - материалы, из которых состоит наружная оболочка космической станции. На высоте 400 километров они активно испаряются вследствие низкого атмосферного давления и высокой электризации окружающих газов. Именно по этой причине разработчики МКС приняли решение о более низкой орбите, нежели та, на которой находилась станция "МИР". То есть, на 100 километров ниже, где атмосферное давление ещё сравнительно высокое.

Но даже с высоты в 330 километров космонавты могут видеть лишь Землю, так как с противоположной стороны станции сплошная мгла - ни звёзд, ни планет, ни туманностей. По утверждению британского астронавта Тима Пика, посетившего МКС впервые: "космос чернее чёрного". Подобные заявления изредка просачивались и в советской прессе 80-х годов, но очень быстро исчезали из печатных источников, будто их никогда и не было. Столь странный оптический эффект сложно списать на плохое самочувствие космонавтов или их склонность к галлюцинациям, поэтому упоминания о нём тщательно вычищаются дабы не волновать общественность. По той же причине все изображения космоса обычно имеют вполне земное происхождение, и лишь те немногие, что сделаны с помощью радиотелескопов, находящихся за пределами атмосферы, специальным образом редактируются, так как радиоизлучение человеческий глаз не воспринимает.


Теперь вспомним, что Солнце не только освещает, но и греет. По разным оценкам температура на его поверхности 5500-6000 градусов Цельсия. Расстояние от Солнца до Земли примерно 150 миллионов километров, которое заполняет космический вакуум, а он считается изолятором, как для электрического тока, так и для тепла.

Существует два основных способа теплопередачи - конвекция и излучение. В первом случае используется достаточно плотная среда, состоящая из газа или жидкости, а теплообмен осуществляется контактным способом. Во втором случае плотность среды уже является помехой, в значительной степени сокращая дистанцию распространения тепла. Все остальные варианты - комбинация двух основных.

Очевидно, что в космическом пространстве нет подходящих условий для контактного обмена тепловой энергией, поэтому единственно возможный вариант её перемещения - излучение. Проблема лишь в том, что независимо от плотности среды и мощности источника, длинноволновое излучение преодолеет меньшее расстояние, нежели коротковолновое. Если же речь идёт о конкретной дистанции в 150 миллионов километров, то можно утверждать с полной уверенностью, что у теплового излучения нет ни единого шанса достичь поверхности Земли, и это в полной мере согласуется с законами термодинамики.

В наиболее простой интерпретации суть подобного "запрета" выглядит следующим образом:

Чем выше "теплота" излучения, тем больше разница его температуры с окружающей средой, состоящей из условно "более холодных" элементов. Не важно, говорим мы об атмосфере или о космическом пространстве, ведь абсолютной пустоты в нашей Вселенной нет нигде. По мере продвижения излучения в Пространстве все встречающиеся на его пути элементы, большие и маленькие, будут стремиться забрать "излишек" тепловой энергии у излучения, тем самым повысив собственный энергетический потенциал. В этом и состоит второе начало термодинамики, согласно которому энергия всегда переходит в направлении от более нагретого тела к менее нагретому. Обратный сценарий природой не предусмотрен.

Соответственно, чем ниже "теплота" излучения, тем больше у него шансов пройти большее расстояние с минимальными потерями. Когда мы говорим о расстояниях в сотни и тысячи километров, мощность условно "тёплого" излучения и так требуется довольно большая, а на дистанции в миллион километров она приближается к бесконечности, что ставит большой жирный крест на возможности передачи тепла от Солнца к Земле. Если мы всем существующим излучениям присвоим некоторый "температурный индекс" согласно длине их волны, то рентгеновское будет наиболее "холодным", видимый свет от фиолетового до красного - "тёплым", а инфракрасное - "очень горячим". Нетрудно догадаться, у какого излучения больше шансов пройти расстояние в 150 миллионов километров от Солнца до Земли, не растратив по дороге всей своей энергии.

Смотрим следующую картинку:


Рис. 5


Другими словами, независимо от масштаба и сущности процессов, происходящих на Солнце, реальные шансы дойти до Земли имеются только у рентгеновского излучения, условно "наиболее холодного". Для ультрафиолетового излучения вероятность преодоления такого расстояния представляется весьма сомнительной, а видимый спектр и инфракрасная часть оптического диапазона тем более на это не способны.


Подведём предварительный итог размышления:

Как и прежде, причастность Солнца к возникновению тепла и света на Земле под сомнение не ставится. Тем не менее, даже если в результате каких-то реакций на Солнце и возникают излучения оптического диапазона, их перемещение сквозь космическое пространство всё равно представляется нереальным.


Атмосфера и Свет


Теперь вновь вернёмся к странным оптическим эффектам, традиционная трактовка которых вызывает некоторые вопросы.

Объяснение такому природному феномену как "сумеречные лучи" может быть довольно простым - видимый свет, к которому мы так привыкли, формируется не на Солнце, а в непосредственной близости от поверхности планеты. То есть, чем дальше мы будем удаляться от Земли, тем меньше света будет вокруг нас, несмотря на то, что дистанция до Солнца при этом сокращается.

Вовсе не исключено, что поднявшись в наиболее разряжённые слои атмосферы, мы увидим оттуда лишь Землю, а вместо космоса пред нами предстанет кромешная мгла, тем самым подтвердив утверждения очевидцев, побывавших на околоземной орбите. Возможность наблюдения Солнца и Луны за пределами земной атмосферы также маловероятна, несмотря на наши привычные представления о космосе.

Распределение тепла в атмосфере - дополнительный аргумент. Значительное понижение температуры с ростом высоты свидетельствует в пользу формирования светового излучения лишь в очень плотных слоях атмосферы, а тепла - и того ниже, ведь в противном случае мы наблюдали бы обратный процесс - высоко в горах было бы заметно теплее, чем в долинах у их подножия. Тем не менее, даже в самое жаркое лето снег на вершинах гор не тает, поэтому альпинисты надевают на себя очень тёплое снаряжение, чтобы покорить очередную вершину.


Следует также отметить, что планетарная атмосфера - не такое простое природное образование, как могло бы показаться на первый взгляд. Это обширное пространство со своими физическими, химическими, электрическими и оптическими свойствами.

Картинка из учебника:


Рис. 6


Нас интересуют процессы, происходящие в так называемой - Ионосфере, которая начинается на высоте примерно 50-60 километров от поверхности Земли и заканчивается на высотах порядка 1000 километров, где атмосферные газы имеют крайне низкую концентрацию. Рассмотрим только самую нижнюю часть ионосферы, ведь именно там и происходят интересующие нас события.

Итак, нижняя граница Ионосферы, где она переходит в стратосферу, располагается примерно в 50 километрах от Земли, а за условно "верхнюю" мы примем высоту в 120 километров, называемую также - Плотные слои атмосферы.

Но для начала следует обсудить рентгеновское излучение, так как выше по тексту мы предположили, что только оно способно преодолеть расстояние от Солнца до Земли. Начнём издалека, ведь история открытия Х-лучей имеет непосредственное отношение к теме данного размышления.


Рентгеновское излучение


Существует минимум две версии открытия, сделанного Вильгельмом Рентгеном.

Та из них, где в качестве детектора рентгеновского излучения фигурирует лист картона, покрытый тонким слоем тетрацианоплатината бария, вошла в учебники как основная и единственно верная. Несмотря на популярность именно этой версии, в ней присутствуют сомнительные моменты. Во-первых, как и сейчас, соли синильной кислоты в те далёкие времена вряд ли продавались в обычной аптеке. Во-вторых, существует множество совершенно безопасных веществ, светящихся в ультрафиолете, к примеру, крахмал или глюкоза. Почему в опытах с катодной трубкой Рентгену в качестве детектора излучения понадобилось именно это вещество, притом чрезвычайно ядовитое, можно лишь догадываться.

Рассмотрим и другую, менее известную версию. Согласно ей, имея фабричную катодно-лучевую трубку, Рентген пытался изготовить собственную с некоторыми изменениями и дополнениями, но по понятным причинам не смог создать в ней глубокого вакуума. Поэтому "самоделка" лежала где-то неподалёку, и именно в ней возникали неясные тени при работе фабричной катодно-лучевой трубки. Случайно или нарочно, прикрывая рукой колбу, Рентген определил, что неизвестное излучение просвечивает человеческое тело насквозь. Собственно, в этом и заключается работа рентгеновского аппарата, а вовсе не в свечении различных предметов в ультрафиолете.

Вторая версия выглядит более выигрышно, так как в её основе реальный природный процесс, происходящий в атмосфере Земли.


Ионосфера - электрооптический преобразователь


Известно, что атмосферный воздух примерно на три четверти состоит из азота. Ранее уже упоминалось о незаурядных способностях этого газа, но лишь вскользь. Пришло время максимально раскрыть природные возможности азота, особенно некоторые его таланты по отношению к различным излучениям.

О том, что без азота невозможен процесс фотосинтеза в растениях, знают или догадываются многие, и вполне обоснованно связывают его с хромофорными свойствами двухатомной молекулы азота N2 (-N=N-). При этом механизм превращения света в зелёную массу почему-то считается природным таинством, недоступным пониманию. Это ничуть неудивительно, ведь для большинства людей формула эквивалентности Массы-Энергии М=Е, знакомая чуть ли не с детства, представляется скорее красивой научной метафорой, нежели реально действующим природным взаимодействием. Тем не менее, превращение массы в энергию и обратно мы наблюдаем вокруг себя повседневно, не считая это чем-то удивительным. Солнечный свет является главным условием роста деревьев и набора ими массы. В этом процессе участвуют также другие атмосферные газы и водяные пары. Дерево срубается, сушится и идёт на дрова. Энергия, полученная растением от Солнца, превращается в древесину, имеющую вполне конкретную массу, а при сгорании в печи она возвращается в своё исходное состояние - в свет, тепло и атмосферные газы. Пожалуй, это наиболее простой сценарий трансформации Энергии в Массу и обратно, но в качестве примера он вполне годится.


Прежде чем перейти непосредственно к механизму превращения одного типа излучения в другой, вспомним, что Ионосферу мы назначили главным местом, где вероятнее всего солнечная радиация превращается в видимый свет.

Почему именно здесь?

Причина кроется в особых электрохимических свойствах этого участка околоземного пространства. Ниже 50-ти километровой отметки атмосферный воздух достаточно плотен и по своим свойствам мало отличается от того которым мы дышим. Другими словами - это обычный диэлектрик, который хорошо аккумулирует в своей физической массе электрические заряды, но проводником для электрического тока не является. Как раз благодаря этому свойству все ионизирующие излучения, без особого труда преодолевающие огромные расстояния в космическом пространстве, оказываются бессильными перед тонкой полоской атмосферного воздуха, максимально близко прилегающей к поверхности планеты.

Следующая картинка иллюстрирует толщину слоя, защищающего планету от жёсткого рентгеновского излучения Солнца:


Рис. 7


Тонкая синяя полоска на картинке (рис. 7), практически сливающаяся с линией горизонта - это и есть тот самый диэлектрический слой толщиной всего каких-то 50 километров. Выше него располагается Ионосфера, которая уже не является в полной мере изолятором для электрического тока, что логично следует из её названия, ведь ионы - основа любого электролита, в электропроводности которого вряд ли кто-то усомнится.

Поток рентгеновского излучения, почти без потерь преодолевший расстояние от Солнца до планетарной атмосферы, уже на высоте в 600 километров от Земли встречает заметное сопротивление своему движению. Во-первых, ему препятствуют молекулы атмосферных газов, плотность которых по мере приближения к поверхности Земли неуклонно растёт. Во-вторых, на высотах ниже 100-120 километров планетарная атмосфера начинает вести себя как типичный полупроводник. Соответственно, частичные диэлектрические свойства как бы сами собой подразумевают наличие здесь большого количества свободных электрических зарядов, которые ранее уже пытались штурмовать этот сложный участок, но потеряли кинетическую энергию, и теперь покоятся, насыщая газовую среду статическим электричеством.

Вполне естественно, что максимальная плотность электрических зарядов - подвижных и покоящихся, располагается на границе полупроводника и диэлектрика. Толщина этого слоя составляет не более 10 километров, но именно здесь имеются необходимые условия для природного шоу, называемого - Возникновение видимого света.


Согласно терминологической среде, используемой в данном размышлении - ультрафиолетовое излучение и электричество - понятия во многом близкие. Отличие лишь в их "агрегатном состоянии", поэтому физические принципы "первой ступени преобразования" представляются наиболее понятными, ведь простейший сенсор рентгеновского излучения в электричество - это практически любой полевой транзистор. В основе работы такого компонента - восстанавливаемый электрический пробой тонкого слоя диэлектрика. Собственно, то же самое происходит и в атмосфере, так как её ионизированный слой представляет собой бесчисленное количество таких "транзисторов", для которых кислородно-азотная газовая смесь играет одновременно роль "подложки" и полупроводящей среды.


Вторая стадия преобразования - ультрафиолет в видимый свет - типичный пример электролюминесценции в газовой среде. Если в первом случае мы имели дело с электрическим пробоем диэлектрика, то возникновение света происходит уже на атомном уровне, и атмосферный азот здесь выходит на первый план.

Почему именно азот?

Из всех простых газов только двухатомный азот N2 - типичный хромофор, способный принимать, накапливать и излучать свет. Схожими свойствами обладают углерод и все металлы-полупроводники, но они по понятным причинам не могут находиться в атмосфере в достаточном количестве, поэтому их мы не рассматриваем. Кислород О2 хромофором не является, а значит, для всего спектра излучений он прозрачен.

В условиях высокого атмосферного давления проблем с избытком энергии внутри молекулы азота не возникает, так как постоянное перемещение потоков воздуха в атмосфере обеспечивает ему качественный теплообмен. К тому же, количество ультрафиолета в непосредственной близости от поверхности Земли незначительно.

Физические свойства среды в Ионосфере качественно иные. Во-первых, атмосферное давление в тысячу раз ниже, чем у поверхности Земли. Во-вторых, запредельное содержание ультрафиолета и высокая электризация газовой среды. Все эти факторы заставляют азот проявить незаурядный талант, ведь для ультрафиолета он непрозрачен, при этом избыток энергии нужно куда-то девать, но условий для простого конвективного теплообмена в этих слоях атмосферы нет, поскольку плотность атмосферных газов здесь достаточно низкая. Присоединять к себе третью молекулу, как это делает кислород, оказавшись в наэлектризованной среде, азот не умеет. Единственный способ существования азота в таких "экстремальных условиях" - научиться избавляться от излишка энергии путём преобразования ультрафиолета в свет, излучая его, и тем самым избавляя себя от перегрева. Механика процесса такова:

Так как ультрафиолет располагается на границе ионизирующего излучения и видимого спектра, азоту требуется лишь немного изменить размер частиц, формирующих ультрафиолетовое излучение. Поскольку все излучения состоят из зарядов, имеющих однотипное строение, но отличающихся по размерам, требуется один тип заряда преобразовать в другой таким образом, чтобы их количество уменьшилось, а размер увеличился. В науке такой процесс называется рекомбинацией. Можно сказать ещё проще - азот умеет преобразовывать "маленький" электрический заряд в "большой" световой. Это явление довольно часто можно наблюдать при работе высоковольтного трансформатора, когда вблизи него появляется голубоватое свечение. По схожему сценарию светодиод преобразует электричество в видимый свет, но рекомбинация происходит вследствие существования в нём PN-перехода, образуемого парой полупроводниковых элементов с близкими физическими свойствами - галлия и мышьяка. Полярное сияние своим возникновением также обязано наличию азота в атмосфере, а вот разряд молнии и сварочная дуга - это уже несколько иной природный процесс, так как в нём помимо азота участвуют и другие атмосферные газы.


Рис. 8


Многие видели игрушку, называемую "плазменный шар". Его работа вполне годится для иллюстрации процесса возникновения света внутри атома азота. При этом нужно помнить, что реализация того или иного природного Сценария не говорит о полной идентичности условно родственных процессов, относящихся к разным масштабным уровням. К примеру, ранее мы часто сравнивали поведение жидкости в замкнутой гидравлической системе с движением тока в электрической цепи, но вряд ли можно говорить о тождественности и внешнем сходстве электрического провода и водопроводной трубы. Так и здесь, знание природной закономерности, многократно подтверждённой различными экспериментами, вовсе не означает "портретного сходства" физических процессов, реализация которых происходит по общему сценарию.

Когда-нибудь мы увидим то, что в реальности происходит внутри атома азота в момент испускания им солнечного света, но для создания подходящей инструментальной базы потребуется пересмотреть многие устоявшиеся представления о сути природных взаимодействий, а это в разы сложнее, чем создание самого хитроумного прибора.


Эксперимент Рентгена


Теперь, когда в общих чертах понятны основные моменты, связанные с возникновением света, можно вернуться к опыту Рентгена, названного нами "версия номер два", и попытаться объяснить явление, которое привело к открытию Х-лучей.

Нужно сразу отметить, что подобное могло произойти лишь по чистой случайности, поскольку используемая учёным катодно-лучевая трубка не является в полной мере источником рентгеновского излучения. Скорее всего, обе версии - плод фантазии популяризаторов науки, тем не менее, физический принцип двухступенчатого электрооптического преобразования ионизирующего излучения в видимый свет в каждой из них прослеживается довольно чётко.

Запаянная стеклянная колба, из которой частично откачан воздух - модель той части атмосферы Земли, которую мы называем Ионосферой. Поскольку главным компонентом газовой среды наверняка была кислородно-азотная смесь, а не какие-то другие газы, сомнений в насыщении электрическими зарядами внутреннего пространства колбы также не возникает. Причём, напряжение, которое принято называть статическим, могло накапливаться в колбе постепенно и достигнуть необходимого уровня через день, два и даже неделю, ведь воздух неплохо справляется с ролью конденсатора, аккумулируя в своём "диэлектрическом теле" большое количество электрических зарядов.

Также не следует исключать варианта, при котором Рентген подключал электричество к трубке собственного изготовления хотя бы один раз, даже понимая, что её работоспособность сомнительна. В любом случае он обнаружил бы там свечение газа, но не как действие рентгеновского излучения, а как результат электролюминесценции. Если предположить, что эксперименты с "фабричной" трубкой Рентген проводил достаточно часто, то все необходимые условия для возникновения свечения воздуха внутри колбы собственного изготовления уже существовали.

Даже если бы сам Рентген не заметил такого эффекта, это открытие обязательно сделал бы кто-то другой, поскольку в те времена эксперименты с электровакуумными приборами проводили буквально все физические лаборатории, а катодно-лучевые трубки производились в достаточном количестве с применением самых передовых технологий. Известно, что Герц и Ленард занимаясь той же тематикой, получили близкие результаты, но Рентген опубликовал материалы своих исследований раньше, поэтому все лавры достались ему.


Оптические эффекты в атмосфере


Теперь вспомним о странном феномене, когда Солнце в разное время суток значительно меняет свой цвет и размер. Картинка была такая:


Рис. 9


Нет никаких сомнений в том, что такой эффект существует вследствие особых свойств атмосферы, но каков механизм его возникновения, учебник не поясняет. Попробуем самостоятельно разобраться в сути наблюдаемого процесса. Ранее мы определили, что солнечный свет в привычном для нас виде формируется лишь на высоте порядка 50-60 километров от Земли. Это значит, что нам необходимо чётко разграничить такие понятия, как - мнимый и реальный "образ Солнца".

Итак, мы определили, что без участия земной атмосферы Солнце недоступно наблюдению, ведь излучения оптического диапазона не имеют физической возможности преодолеть столь значительное расстояние в космосе, даже при условии, что видимый свет возникает на Солнце в результате какой-то термоядерной реакции. Тем не менее, у нас имеется возможность наблюдать проекцию солнечного излучения в ионосфере как результат электрооптического преобразования рентгеновского излучения в видимый диапазон частот. Проиллюстрируем данное утверждение следующей схемой:


Рис. 10


На следующей картинке (рис. 10) пропорции размеров Земли по отношению к её атмосфере несколько изменены для наглядности.

Когда Солнце располагается по касательной к наблюдателю, стоящему на поверхности Земли (зелёная линия), он видит большой красный диск, который проецируется широким пятном на ту часть атмосферы (чёрный пунктир), где ионосфера переходит в стратосферу. По мере вращения Земли относительно Солнца, угол падения солнечного излучения меняется, вследствие чего "пятно" уменьшается в диаметре. К вечеру процесс повторяется в обратной последовательности. Если бы солнечные лучи шли напрямую к Земле, минуя "проекцию на атмосферу", то "солнечный диск" в любое время суток имел бы одинаковый размер, диаметр которого на схеме обозначен литерой Н.

Вспомним, что "сумеречные лучи" возникают только в облачную погоду и никогда не наблюдаются на ясном небе. В качестве экрана и "вторичного источника света" там выступали облака. Случай, когда видимый диск Солнца изменяется на протяжении всего светового дня принято считать феноменом, не имеющем физического объяснения, ведь как уже было сказано ранее, атмосфера Земли для солнечных лучей прозрачна.

Почему меняется размер и цвет Солнца?

На схеме (рис. 10) также обозначены расстояния, указывающие, какой путь (L1 и L2) из стратосферы проходит свет в разное время суток пока не достигнет поверхности Земли. Очевидно, что на рассвете и закате это расстояние примерно в два раза больше, чем в полдень. Поскольку свет состоит из частиц, отличающихся друг от друга физическими размерами, то крупные световые заряды вполне естественно пройдут большую дистанцию в плотной атмосфере, нежели маленькие, поскольку их масса выше, а значит и полная энергия, являющаяся арифметической суммой кинетической (энергия движения) и потенциальной (энергия покоя). Тем не менее, независимо от длины волны излучения, каких-либо явных условий для возникновения столь необычного оптического эффекта мы пока не обнаружили, как и "экрана", на который солнечный свет мог бы проецироваться, чтобы заработала "схема", изображённая на картинке выше (рис. 10). Действительно, оптические свойства атмосферы здесь не причём, а вот её электропроводность, вполне может стать причиной возникновения рассматриваемого эффекта.

В данном случае в роли "экрана" для потока солнечного излучения выступает граница двух атмосферных слоёв, электропроводность которых в значительной мере отличается. До 50 километровой отметки воздух - типичный диэлектрик, а выше - он уже полупроводник, но лишь до отметки 100-120 км от поверхности Земли. Далее воздух настолько разряжен, что снова становится изолятором для электрического тока. По-сути, в атмосфере мы имеем один или несколько PN-переходов глобальных размеров, образуемых на границе двух сред - диэлектрика и полупроводника, располагающихся на высотах 10-60 км и 100-120 км от поверхности. Это означает, что Ионосфера способна активно взаимодействовать с различными космическими излучениями, преобразовывая их в видимый свет примерно так, как это происходит в обычном светодиоде.

Данное построение вполне согласуется с фотографиями, сделанными с борта космической станции, когда единственный мощный источник света находится непосредственно под ней, а вовсе не сверху, что было бы вполне естественно. Соответственно, весь свет, который наблюдают космонавты и астронавты, находящиеся на орбите, исходит от Земли, а вовсе не от Солнца и Луны, поскольку околоземная орбита космической станции располагается выше атмосферного слоя, в котором формируются излучения оптического диапазона.

Следует также отметить, что утром и вечером поверхность Земли активно отдаёт тепло охлаждённому воздуху, вследствие чего насыщенность атмосферы водяными парами в непосредственной близости от поверхности Земли увеличивается, а они хорошо задерживают "холодную" часть спектра, а "тепловое" излучение даже усиливают. Такую зависимость довольно часто именуют - парниковым эффектом.

Все указанные факторы складываются воедино и вызывают значительное изменение цвета Солнца в утренние и вечерние часы.


Свойства светового заряда


Вряд ли слишком большим преувеличением станет утверждение, что основные свойства света наукой досконально изучены, и описаны во всех возможных вариациях. Вопросы, связанные с происхождением света и материальной частицей, являющейся его переносчиком, также можно считать урегулированными, ведь для интерпретации механизма возникновения тех или иных оптических явлений можно использовать, как классическую теорию, изучаемую в школе, так и концепцию, предлагаемую в данном размышлении.

Если о фотоне и его свойствах можно почитать в учебнике физики, то информацию о свойствах светового заряда взять негде, так как в классической терминологической среде такой элемент отсутствует. Попробуем этот пробел исправить самостоятельно. Итак...


Как уже отмечено ранее, световой заряд не имеет принципиальных отличий от электрического, так как строение у них общее. Основа существования любого заряда - солидарное движение материальных частиц по сложным траекториям, совмещающим в себе два взаимно перпендикулярных направления вращения - продольное и поперечное. Собственно, ими и диктуется форма заряда - тороидальная, ведь только в такой геометрической фигуре возможно совместить столь необычный характер перемещения элементов.

И всё же, общее строение вовсе не говорит о полной идентичности электрического и светового заряда, поскольку это нарушало бы один из главенствующих законов природы - принцип разнообразия. Это значит, что кроме признаков Подобия, обязательно имеются и Различия, о которых следует упомянуть:


Размер

Световой заряд заметно крупнее электрического, поэтому световой поток мы отлично видим, в отличие от электрического тока, который может иметь очень высокие характеристики по плотности и скорости перемещения, но он всё равно останется скрытым процессом. Конечно, высокая электризация ощущается другими органами чувств, но мы рассматриваем видимый диапазон, поэтому в первую очередь говорим о зрении.

Магнитные свойства

Как известно, свет крайне слабо взаимодействует с магнитным потоком, а наблюдение отдельных магнитооптических эффектов возможно лишь при наличии специального оборудования. Возникает резонный вопрос:

Почему световой заряд при однотипном строении с электрическим не имеет ярко выраженных магнитных свойств?

Как уже неоднократно отмечалось, любой заряд представляет собой тороид, но и у такой формы имеются разновидности. Смотрим следующий блок картинок:


а)

б)


Рис. 11


Здесь мы видим типичную баранку, в центре которой пустота. Эта форма типична не только для электрического заряда, но и для всех ионизирующих излучений, где магнитный потенциал представляет собой вектор, перпендикулярный к "телесному" вращению заряда. Именно такая форма позволяет заряду иметь ярко выраженные магнитные свойства, а также, достигать высоких скоростей движения и практически ничем неограниченную дальность перемещения.

Следующий вариант формы заряда - более сферический:


а)

б)


Рис. 12


Такие зарядные структуры обладают значительным энергетическим потенциалом, но их магнитные свойства крайне слабые, так как магнитный потенциал равномерно распределён по всей окружности, а значит, не имеет ярко выраженного направления. Но мы в любом случае говорим лишь о сходстве со сферой, ведь такой заряд обязательно имеет "центральный ствол", а значит, тороидальная структура его строения сохранена, как и главное свойство заряда - два взаимно перпендикулярных направления вращения элементов, его формирующих.

У светового заряда форма именно такая - близкая к сферической. Здесь следует заметить, что Солнце - такой же по форме заряд, но относящийся к следующему - "старшему" масштабному уровню Вселенной, и его форма тоже не может быть полностью сферической, как мы привыкли его себе представлять. Просто потому, что наблюдение Солнца с Земли не позволяет видеть его "центральный ствол", расположенный перпендикулярно плоскости эклиптики. Как раз по этой причине визуально мы воспринимаем нашу центральную звезду раскалённым шаром, а не бубликом.

Характер движения в среде

Следующее свойство светового заряда - траектория его перемещения в атмосфере, тяготеющая к спиралеобразной. В отличие от любого ионизирующего излучения, которое распространяется в Пространстве прямолинейно, форма движения света по мере приближения к поверхности Земли из прямолинейного постепенно трансформируется в спиралевидную. Это происходит вследствие движения в насыщенной среде, где на пути светового заряда постоянно возникают различные материальные объекты - молекулы и атомы.

Почему именно спираль?

Вспомним, что любой Заряд, независимо от своих размеров - материальная структура, состоящая из движущихся по замкнутым орбитам элементов. Это значит, что в процессе поступательного движения оба типа подвижности складываются и образуют спираль, как это изображено на следующих картинках:


а)

б)


Рис. 13


Независимо от того, какой волнообразный процесс мы видим в природе, это всегда спираль, так как только она является проекцией двух типов подвижности - вращения и поступательного движения, редко существующих порознь. Брошенный в воду камень образует плоскую спираль, витки которой движутся от центра к периферии, продольную спираль мы видим на болте и гайке, сужающуюся спираль можно наблюдать на собственной кухне в раковине, когда из неё вытекает вода. То есть, спираль - это естественный природный процесс, чего нельзя сказать о синусоидальной волне, которая хорошо прижилась в математике и физике, но полноценного аналога в окружающем мире не имеет. Другими словами, если мы где-то видим волнообразную форму (рис. 13 б), то чаще всего это лишь одна из проекций процесса, развивающегося в форме спирали (рис. 13 а).

Нечто подобное происходит с планетами Солнечной системы, которые гоняются по галактике Млечный путь за Солнцем, описывая вокруг него пируэты, как на следующих картинках:


а)

б)


Рис. 14


Последняя картинка (рис. 14) достаточно ярко иллюстрирует характер взаимодействия заряда (Солнце) с атомами (планеты) в процессе их взаимного перемещения. В случае с планетами Солнечной системы в центральной звезде сосредоточена огромная гравитационная масса и поэтому оно движется условно прямолинейно, а планетам ничего не остаётся, как увиваться вслед за Солнцем. Несколько иная картина наблюдается, когда маленькие заряды продвигаются в плотной среде, состоящей из атомов и молекул газов, размеры которых на порядки больше их собственных. Здесь уже зарядам приходится извиваться так, чтобы не столкнуться с атомами и поэтому собственное спиралеобразное движение заряда постепенно обретает некоторый эксцентриситет - значительное смещение геометрического центра, зачастую выходящее за пределы самой системы вращения. Такой эффект возможен лишь при активном взаимодействии объектов, значительно отличающихся по массе и энергии, притом, что автономное движение объектов в Пространстве всегда прямолинейно, равномерно и поступательно. Другими словами - Спираль характеризует не столько движение каких-либо материальных объектов в Пространстве, сколько их взаимодействие с другими. Соответственно, перемещение потока космического излучения от периферии к центру Земли, когда зарядам приходится собственное движение согласовывать с крупными молекулами и атомами атмосферных газов, как раз и заставляет их двигаться по спиральным траекториям, поперечный диаметр которых может в значительной степени отличаться.

Интерференция и дифракция

Здесь следует отметить, что спиралевидная форма траектории движения светового потока как раз и объясняет явление дифракции света, когда световой заряд, проходящий сквозь узкую щель, оказывается в области собственной "геометрической тени", где ему находиться вроде бы и не положено. Смотрим следующую картинку:


Рис. 15


Синяя волнообразная линия - спиралевидная траектория движения светового заряда, которая в боковой проекции выглядит как синусоида. Очевидно, что щель, изображённая полосами зелёного цвета, не является препятствием для света до тех пор, пока она не станет более узкой, чем толщина отдельного светового заряда. Ближайший природный аналог такого способа перемещения - прокалывание штопором лишь одной дырки, через которую он вкручивается в преграду, проходя насквозь независимо от собственного диаметра.

Также ранее упоминалось, что Шаровая молния - тоже заряд, размером с апельсин или крупную сливу. Проходя сквозь стекло, Шаровая молния оставляет в нём крохотное отверстие, через которое проходит целиком. Объяснение такому странному эффекту довольно простое - Шаровая молния не имеет прочной оболочки, которая встречая препятствие, противодействует ему всей площадью соприкосновения. Это физический объект, состоящий из множества материальных частиц, размеры которых в разы меньше отверстия, сквозь которое нужно проникнуть. Подобно штопору, они ввинчиваются в преграду до тех пор, пока последний элемент такой подвижной системы не преодолеет её полностью.

Схожая ситуация с болтом и гайкой, диаметры которых не позволяют физически вставить их друг в друга до тех пор, пока хотя бы один из элементов такой системы не начнёт вращаться перпендикулярно своей продольной оси. Можно сколько угодно вбивать болт в гайку молотком, но это вызовет лишь деформацию металла, поскольку с учётом существования у них резьбы внутренний диаметр гайки меньше наружного диаметра болта. Решение у такой задачки только одно - вращение.

Примеры достаточно показательны для описания спирали в качестве универсальной природной формы, повторяемой на всех масштабных уровнях Вселенной.

Как и дифракция, явление интерференции света также обусловлено его движением по спиралеобразной траектории. В этом случае синфазные потоки складываются, а противофазные гасят друг друга, что выражается в тех или иных оптических эффектах, хорошо описанных учебником во всех возможных вариациях.

Преломление, отражение и поглощение

Эффект преломления света мы наблюдаем повсеместно, но его объяснение в учебнике физики вряд ли можно назвать понятным. Всё потому, что механику данного процесса трудно обосновать, как с позиций корпускулярной теории, так и волновой. Если свет - это упругая частица, условно сферическая, то в зависимости от плотности среды, с которой произойдёт дальнейшее взаимодействие, такая частица либо отразится от преграды, либо, потеряв часть кинетической энергии, пройдёт сквозь неё. Объективных причин для существования какого-то определённого угла изменения траектории движения для такой частицы нет. Скорее, этот угол будет всегда разным, как при соударении бильярдных шаров, когда малейшее изменение точки контакта значительно влияет на обе траектории движения взаимодействующих объектов. Здесь же мы наблюдаем определённую закономерность, которая для сферических объектов вряд ли применима.

Если свет - электромагнитное излучение, то механизм его преломления на границе сред с разной плотностью в рамках классической физики также не имеет внятного объяснения. Поскольку волна по структуре строения - формация симметричная, то она должна соблюдать законы геометрии вне зависимости от частоты и скорости распространения. Какая-либо связь преломления волны с законом сохранения энергии или импульса вряд ли имеет под собой какую-то реальную основу. Изменение скорости движения волны при переходе границы сред с разной плотностью также не может объяснить эффекта преломления, поскольку для традиционной физики скорость света - величина неизменная, независимо от тех или иных характеристик среды.


Существует механическое объяснение процесса преломления при условии, что свет формирует материальная частица, имеющая форму тороида. Смотрим на картинку:


Рис. 16


Слева мы видим заряд в форме бублика (синий цвет) как бы в разрезе, который движется к преграде (зелёный цвет) в направлении красной линии. Условно "нижняя" часть тороида достигает преграды раньше, вследствие чего подвергается некоторой деформации. Поскольку любой заряд - это комплексный объект, состоящий из множества подвижных элементов, то изменение в одной части траектории движения каждого элемента сказывается на всём "рисунке движения" объекта, вследствие чего "верхняя" (согласно рисунку) часть заряда вполне ожидаемо тоже сместится вперёд. Эти стадии обозначены синим пунктиром. В следующий момент, когда верхний край заряда также наткнётся на преграду, вновь произойдёт коррекция орбит всех элементов, его составляющих, и заряд ещё повернётся на некоторый угол, в результате чего направление движения заряда вновь изменится. Красная стрелка указывает на изменение угла до входа в плотную среду и на выходе.

Несмотря на то, что световой заряд более походит на сферу, нежели электрический, он также представляет собой тороид, поэтому процесс его преломления в точности повторит все описанные выше стадии. Также следует отметить, что преломление светового заряда возможно лишь в оптически прозрачных средах, к которым относятся все газы и многие минералы, состоящие главным образом из оксидов лёгких металлов, к примеру, таких как алюминий или кремний.

Отражение света происходит тогда, когда световой заряд встречает преграду, сквозь которую пройти не может. Традиционно отражающие среды состоят из атомов металлов. Вспомним, что все металлы имеют малые пространственные габариты и очень прочную оболочку, которая не подвержена деформации в силу высокой плотности их ядра. В составе кластера они располагаются достаточно плотно, поэтому единственный вариант дальнейшего развития событий - отражение. Следующая картинка:


Рис. 17


Следует отметить, что в отличие от первого случая (рис. 16), угол падения близок к углу отражения, поскольку "верхняя" (по рисунку) и "нижняя" часть заряда при столкновении с атомом металла претерпевают одинаковую деформацию, после компенсации которой заряд полностью восстанавливает свою форму и продолжает движение, изменив лишь направление.

Отдельным предметом размышления могут быть многочисленные оптические эффекты, связанные с отражением света не от конкретных предметов, а от воздуха, имеющего повышенную или пониженную плотность вследствие разницы температур, насыщения его парами воды или высокой концентрации некоторых газов, таких как углекислота. Проявление этих эффектов столь многогранны, что они достойны самого пристального внимания, но уже в рамках отдельного размышления. Продолжим...

Последний вариант взаимодействия светового заряда с оптически плотными средами - поглощение. Он представляет собой комбинацию первого и второго случая, поскольку здесь мы имеем дело с полупроводящей оптической средой. Её атомный и молекулярный состав может быть каким угодно, а значит и свойства поглощения-отражения будут проявляться достаточно разнообразно.


Скорость света


Несмотря на то, что эта физическая величина считается фундаментальной для современной физики, возникает вопрос целесообразности применения понятия "скорость света" для описания множества явлений, в которых оно используется в силу сложившейся научной традиции. Как мы выяснили ранее по тексту, существуют объективные причины, препятствующие распространению видимого диапазона излучений в космическом пространстве. Главным образом это законы термодинамики, описывающие теплообмен между взаимодействующими телами строго в направлении от условно "тёплых " к "холодным". Поскольку количество теплоты у газов, заполняющих космическое пространство, довольно низкое, то любое излучение, обладающее более высоким тепловым потенциалом, обязано расходовать свою энергию на их разогрев по мере своего продвижения в Пространстве, вследствие чего возникают естественные энергозатраты, препятствующие распространению света на протяжённых дистанциях. Отсюда следует вывод о том, что лишь условно "холодные" излучения имеют реальную возможность преодоления значительных расстояний. К ним можно отнести все излучения, длина волны которых короче рентгеновского.

Следующий спорный момент - скорость распространения различных излучений в космическом пространстве. Для Солнечной системы единственным мощным источником микроволновых излучений является Солнце. В силу значительной удалённости других звёзд, идущие от них потоки частиц, вряд ли как-то участвуют в общем "энергобалансе" Солнечной системы. Таким образом, скорость распространения микроволнового излучения внутри рассматриваемой системы целиком зависит от физических параметров конкретного космического объекта - Солнца. Очевидно, что другие звёзды имеют какие-то иные пространственные и энергетические характеристики, а значит, и скорости частиц, составляющих такие излучения, также будут иными. К тому же, вопрос возникновения излучений оптического диапазона в недрах звёзд или на их поверхности требует основательной ревизии, а возможно, и кардинального пересмотра.

Вряд ли можно серьёзно говорить о какой-то единой "скорости света", если во всей Вселенной нет даже пары идентичных по отношению друг к другу материальных объектов. Этому препятствует принцип разнообразия, являющийся одним из главных законов природы. К тому же, свет в привычном для нас виде является частным оптическим эффектом, происходящим на отдельно взятой планете при существовании на ней определённых условий, а именно - наличия в атмосфере азота. То есть, планеты, не обладающие атмосферой, вообще не имеют никаких физических условий для возникновения света на их поверхности. Узость оптического диапазона - дополнительный аргумент, указывающий на определённые ограничения в распространённости такого явления в масштабах Вселенной.

В астрономии довольно часто используется такая величина, как - световой год. По определению - это дистанция, которую свет проходит за один год. С учётом аргументов, изложенных выше по тексту, польза от использования этой величины для дальнейших рассуждений представляется сомнительной.


Далее рассмотрим свет с несколько иного угла зрения, а именно - его цветовые свойства.


Цвет


Кроме функции освещения, свет умеет окрашивать предметы в различные цвета. Эта способность зависит от трёх важнейших факторов. Во-первых, от способности источника освещения обеспечивать необходимый спектральный состав частиц, отвечающих за передачу отдельных цветов. Второй фактор - способность предмета отражать одни цвета и поглощать другие. Последнее условие - индивидуальные особенности восприятия цветов органами зрения. Все эти темы подробно изучены наукой и вряд ли здесь можно сообщить что-то новое и оригинальное. Единственный вопрос, на который учебник отвечает достаточно уклончиво:

Что такое цвет?

На него мы и попытаемся ответить далее по тексту.

Источник белого света обеспечивает наиболее полную передачу цветов, поскольку в нём присутствуют световые заряды всех необходимых размеров, от самого маленького - фиолетового, до самого большого - красного. Заряды, которые по своим массово-габаритным размерам выпадают из этого диапазона, далее по тексту мы будем называть как-то иначе, к примеру - электрическими или тепловыми.

Надо сказать, что различие физических размеров зарядов, отвечающих за передачу того или иного цвета, совсем незначительно, так как сам оптический диапазон в общей линейке электромагнитных излучений довольно узок. Тем не менее, свойства этих зарядов достаточно разнообразны. К примеру, ультрафиолет ещё во многом сохраняет свойства электрического тока и способен насыщать воздух электрическими зарядами, а инфракрасный диапазон, даже если он уже невидим, достаточно хорошо греет, что мы ощущаем кожей. Именно поэтому цвет часто классифицируют по цветовой температуре, обычно измеряемой в градусах Кельвина.


Классический опыт разложения белого света призмой


Пришло время поговорить о способах разделения света на отдельные цветовые составляющие.

Картинка в учебнике обычно предлагается такая:


Рис. 18


Нужно сразу сказать, что свет внутри призмы проходит путь вовсе не такой, как изображено на картинке выше (рис. 18), и любой, кто самостоятельно проводил подобные эксперименты, об этом хорошо знает.

В чём недостаток такого способа отображения?

Дело в том, что треугольная призма всегда переворачивает изображение, о чём наглядно свидетельствуют иллюстрации из других учебников:


а)

б)


Рис. 19


Соответственно, луч света проходит призму не напрямую, а по более сложной траектории, отразившись от нижней грани. Это возражение назовём непринципиальным, поскольку количество отражений внутри призмы может быть каким угодно и на дисперсию света оно влияет лишь косвенно.

Следующее возражение более серьёзное, поскольку оно впрямую касается заявленной темы.

Смотрим следующую картинку:


Рис. 20


Проведём опыт с уже известной нам призмой (рис. 18), приложив к её противоположной грани два листа чёрной бумаги - сверху и снизу (рис. 20). Если верхний листок, обозначенный цифрой 1, мы будем сдвигать вниз, то согласно действующей теории, мы удалим из спектра сначала красный луч, затем жёлтый, потом зелёный, пока не дойдём до синего. Двигая нижний листок вверх, обозначенный цифрой 2, мы сделаем то же самое, но уже в обратной "цветовой последовательности".


Именно так и должно произойти в теории, но практика приготовила нам минимум три сюрприза:

Во-первых, избавиться от того или иного цвета столь простым способом не получится. Закрывая часть светового потока, мы лишь ослабим яркость радуги, и несколько сузим её, но порядок цветов останется прежним.

Второй важный момент - выход отдельных цветов из призмы. Картинка (рис. 20) изображает его совсем не так, как это происходит в действительности. Радужные цвета возникают лишь на определённом удалении от призмы, а вовсе не у её грани. Убедиться в этом достаточно просто, поднося листок белой бумаги ближе к призме и удаляя. Таким нехитрым способом мы найдём так называемый "цветовой фокус" призмы, где радужные цвета максимально яркие и хорошо разделяются.

Теперь последний момент, на который хотелось бы обратить внимание.

Можно изготовить аквариум в форме призмы и залить внутрь его воду, для того чтобы проверить траекторию движения луча внутри призмы. Следует сразу отметить, что опустив лист бумаги на две трети высоты, картинка на выходе не изменится, и лишь двигая его ещё ниже, мы увидим, что радуга поблекнет, после чего пропадёт совсем. Но нас интересует совсем другой момент. А именно:

Никаких радужных разводов на листе бумаги внутри аквариума мы не увидим, только белый свет.

Из проделанных опытов сделаем вывод, что существующая теория не подтверждается даже очень простыми экспериментами, а значит, ответы на возникшие вопросы придётся искать самостоятельно. Этим сейчас и займёмся:


Аберрация


Для начала рассмотрим, как ведут себя отдельные цвета при преломлении белого света в обычной двояковыпуклой линзе. Следующий блок картинок:


а)

б)


Рис. 21


Первая картинка (рис. 21 а) из учебника физики, вторая (рис. 21 б) - результат опытов, проведённых самостоятельно с первой попавшейся под руку линзой. Различие лишь в расположении цветов, во всём остальном - явное отклонение каждого из трёх основных лучей при прохождении сквозь обычную стеклянную линзу. Другими словами, нет никакой нужды искать в магазине специальную призму, чтобы увидеть разложение белого света на основные цвета. Это явление в оптике называют цветовой или хроматической аберрацией. То есть, мы имеем дело с оптическим искажением, которое обычно устраняется путём применения в оптической системе нескольких линз, изготовленных из стекла с разным элементным составом.

Происхождение хроматической аберрации учебник объясняет достаточно просто - она возникает вследствие дисперсии света, тем самым, отсылая нас к смежному разделу оптики. Последуем совету, и сделаем следующий шаг в нужном направлении...


Дисперсия цвета


Поскольку о несоответствии корпускулярной и волновой теории реалиям уже упоминалось выше по тексту, мы не будем вновь подробно обсуждать факторы, которые к дисперсии не имеют никакого отношения. А именно - длину волны того или иного излучения и его частоту, так как эти параметры в оптике не играют существенной роли. Перейдём сразу к делу:

Главными факторами, которые влияют на коэффициент преломления лучей того или иного цвета, являются физический размер и масса светового заряда. Естественно, под массой мы понимаем лишь количественный состав, а не плотность элементов и не объём ими занимаемый, поскольку эти параметры у заряда неопределимы в силу его специфического строения. Вспомним картинку, приведённую выше:


Рис. 22


Здесь мы видим заряд, который входит в более плотную среду, вследствие чего нарушается движение его элементов по замкнутым орбитам. Сначала деформируется "нижняя" часть "бублика", что вызывает его первоначальный наклон по отношению к углу падения, потом "верхняя" его часть, и угол снова наклоняется, что и вызывает столь заметное изменение траектории движения заряда.

Теперь вспомним, что световой заряд, формирующий фиолетовую часть спектра, самый маленький по своим размерам, а значит, его масса по отношению к остальным зарядам, составляющим оптический спектр, будет наименьшей. Следовательно, ему проще всего войти в плотную среду, а отклонение будет иметь минимальный угол. Красная часть спектра состоит из наиболее крупных световых зарядов, значит, их инерция будет самой высокой при столкновении с преградой. Таким образом, условно "красный заряд" испытает наибольшее преломление при входе в оптически твёрдую среду.

При переходе из менее плотной среды в более плотную, у "холодной" части спектра есть некоторое преимущество по отношению к "тёплой", ведь более мелким частицам света проще уклониться от столкновения с ядрами молекул и атомов, нежели крупным, которые то и дело где-то "застревают". Но поскольку крупные световые заряды несут в себе больше кинетической и потенциальной энергии, они как слон пройдут сквозь стену, там, где мыши будут искать подходящую щель. Это сравнение наглядно показывает, что скорость прохождения светом линзы или призмы на явление дисперсии никакого влияния не оказывает - скорость всех зарядов до входа и после выхода из оптически плотной среды остаётся прежней. Частота каждого из излучений также неизменна, значение имеет лишь масса конкретного заряда. Тем не менее, двигаясь в плотной газовой среде, "тёплое" излучение пройдёт значительно большее расстояние, нежели "холодное", поскольку в пути оба будут терять свою кинетическую энергию, а она у крупных "тепловых" зарядов по определению выше.


Теперь, когда с теорией в общих чертах разобрались, вспомним о парадоксальных результатах опыта, в котором мы прикрывали противоположную грань призмы листком чёрной бумаги. Посмотрим, по какому пути проходит каждый из лучей в действительности:


Рис. 23


Здесь мы видим, что белый свет (жёлтые линии), состоящий из потока световых зарядов разной массы, входит в оптически более плотную среду, и происходит изменение направления движения каждого из цветовых лучей в строгом соответствии с массой их зарядов. Красный луч преломляется сильнее, зелёный меньше, а у синего самый малый угол преломления. Выход из призмы происходит по всем правилам оптики - входящий и выходящий угол равны по своим абсолютным значениям. То есть, преломление возникает лишь на "входе" в более плотную оптическую среду, а на "выходе" никакого сопротивления среды заряды не испытывают.

Синий пунктир указывает на расположение "цветового фокуса" призмы, за которым лучи каждого цвета уже не пересекаются с другими и поэтому имеют только им свойственный оттенок. По мере удаления лучей от области "цветового фокуса" цвета поблёкнут, а их яркость ослабнет. Также следует отметить, что до достижения этой границы свет ещё можно делить на спектр, поскольку все цвета там присутствуют, но после выделения конкретного цвета дальнейшая дисперсия невозможна.

На следующей картинке особо выделен фрагмент, показывающий выход цветовых лучей из призмы:


Рис. 24


Здесь хорошо видно, что искать радугу у поверхности призмы бесполезно, как и прикрывать её сверху или снизу листом чёрной бумаги, поскольку её "цветовой фокус" находится там, где лучи каждого из цветов уже не пересекаются друг с другом. Нет никакой разницы, куда сдвигать лист бумаги - вверх или вниз, так как в каждой "точке выхода" из призмы присутствуют все лучи спектра. Такой манипуляцией мы лишь ослабим световой поток, но на его цвет никак не повлияем.

Теперь выделим другой фрагмент всё той же картинки:


Рис. 25


Опыт с аквариумом в форме призмы также подтверждает "реальный путь" света внутри него, поскольку лучи идут не напрямую, а отражаются от нижней её грани. Соответственно, две трети призмы в движении лучей не участвует. Увидеть луч конкретного цвета на листе бумаге, помещённого внутрь аквариума, тоже не получится, ведь все они перемешаны друг с другом и способны нарисовать на листе бумаги лишь "цветовую сумму", то есть - белый свет.


Пожалуй, здесь можно поставить многоточие...