О простых опытах, которые объяснили очень сложные явления и даже радугу [1963 Штейнгауз А.И.

"Свет"... Произнося это слово, большинство из нас представляет себе белый солнечный или тепло-золотистый свет электрической лампы. Но можно думать совсем и о другом свете. Возможно, шофер вспомнит кроваво-красный, предостерегающий, или зеленый, спокойный, "глаз" светофора, фотолюбитель - красный фонарь, при свете которого он часами просиживает перед ванночками с проявителем и закрепителем, другие, может быть, вспомнят яркие цветные рекламы из газосветных трубок или огни фейерверка. И все будут правы, потому что свет бывает не только белым, но и цветным.

Ученые знали об этом и раньше, еще задолго до Ньютона. Но никто до него даже и не предполагал, что лучи белого света, света нашего солнца, представляют, если можно так выразиться, смесь цветных лучей - красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового и всех промежуточных цветов. Более того, было известно, что призма, помещенная на пути солнечного света, отбрасывает яркую радужную полосу. Но никому не удавалось объяснить это явление.

"В начале 1666 года (в это время я занимался шлифовкой стекол иных форм, чем сферические) я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с ней произвести опыты над знаменитым явлением цветов. Для этой цели, затемнив свою комнату и проделав небольшое отверстие в оконных ставнях для пропускания в нужном количестве солнечного света, я поместил призму там, где входил свет, так что он мог преломляться к противоположной стене. Зрелище живых и ярких красок, получавшихся при этом, доставляло мне приятное удовольствие".

Любой из нас может наблюдать ярко окрашенную полосу, отбрасываемую призмой на белую стену или на кусок белой бумаги. Цвета в этой полосе столь красивы, ярки и чисты, что можно буквально часами глядеть на них и наслаждаться, различая новые и новые прекрасные оттенки. Такой опыт сделать очень легко: достаточно лишь иметь призму хотя бы из испорченного полевого бинокля. Можно даже не особенно затемнять комнату, правда, при этом чистота, насыщенность и количество различаемых цветов значительно уменьшатся.

Ньютон проводил опыт с солнечным светом не ради простого удовольствия. Главной его целью было выяснить, почему призма, поставленная на пути солнечных лучей, преобразует белый солнечный свет в спектр - цветовой ряд, полосу, в которой все цвета следуют один за другим в неизменном, всегда повторяющемся порядке.

Ему пришлось проделать огромную работу. И если учесть, что она проводилась почти триста лет назад с помощью всего лишь нескольких призм, линз и самых незамысловатых приспособлений, то кажутся совершенно поразительными выдумка и мастерство Ньютона-экспериментатора.

На основе проведенных опытов Ньютон открыл неизвестные ранее законы, которым подчиняется свет, и первым попытался научно объяснить его природу.

Встречая на своем пути две среды, отличающиеся друг от друга оптическими свойствами (например, воздух и стекло или воздух и воду), лучи света изменяют свое направление при переходе из одной в другую - преломляются. Это преломление тем больше, чем сильнее отличаются по своим свойствам среды, через которые проходит свет. Мы часто встречаемся с этим явлением в повседневной жизни. Достаточно лишь напомнить о ложке, опущенной в стакан с водой. Кажется, что она имеет резкий излом как раз на границе воды и воздуха.

О преломлении света было известно и до Ньютона. Но никто не знал, как преломляются лучи разного цвета.

Своим первым опытом (всего он провел 33 различных опыта, повторяя каждый по многу раз) Ньютон установил, что "лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости". А третий опыт позволил ему сделать следующее важное заключение: "Солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости".

Вот выдержки из описания опыта, сделанного самим Ньютоном:

"Я поместил в очень темной комнате у круглого отверстия, около трети дюйма шириною, в ставне окна стеклянную призму, благодаря чему пучок солнечного света, входившего в это отверстие, мог преломляться вверх к противоположной стене комнаты и образовывал там цветное изображение солнца. Ось призмы (то есть линия, проходящая через середину призмы от одного конца к другому параллельно ребру преломляющего угла) была в этом и следующих опытах перпендикулярна к падающим лучам. Я вращал медленно призму вокруг этой оси и видел, что преломленный свет на стене или окрашенное изображение солнца сначала поднималось, затем начало опускаться. Между подъемом и спуском, когда изображение казалось остановившимся, я прекратил вращение призмы и закрепил ее в этом положении так, чтобы она не могла более двигаться...

Опыт Ньютона. Проходя через первую призму, солнечный свет преобразуется в спектр. Отверстие в экране, помещенном между призмами, пропускает лучи только одного цвета. Поэтому свет, проходя через вторую призму, уже не образует расходящегося пучка лучей

Поместив призму в это положение, я заставил преломленный свет падать перпендикулярно на лист белой бумаги на противоположной стене комнаты и наблюдал фигуру и размеры солнечного изображения, образованного светом на бумаге.

Это изображение спектра РТ было окрашено красным в наименее преломленном конце Т, фиолетовым - в наиболее преломленном конце Р и желтым, зеленым, синим - в промежуточном пространстве".

В одном из дальнейших положений, сформулированных Ньютоном на основании своих опытов, говорится следующее:

"Белизна и все серые цвета между белым и черным могут быть составлены из цветов, и белый солнечный свет составлен из всех первичных цветов, смешанных в должной пропорции".

Иными словами, Ньютон доказал то, что теперь известно всякому: солнечный свет состоит из смеси различных чистых цветов. Не менее существенно и другое: однородный свет (то есть "одноцветный" или "монохроматический", как его называют оптики), проходя через призму или линзу, преломляется уже "правильно". Луч монохроматического света уже не расщепляется при преломлении, и потому изображение в монохроматических лучах будет всегда четким. Что же касается лучей белого света, то, проходя через преломляющие среды, они расщепляются. И именно этим объяснялось, почему в микроскопах, телескопах и других оптических инструментах получалось окрашенное изображение.

"Усовершенствованию телескопов препятствует различная преломляемость света".

И только спустя много лет ученые нашли способы устранения окрашивания изображений в оптических приборах, содержащих линзы.

За счет различной преломляемости лучей разного цвета возникает и радуга.

Еще задолго до Ньютона некоторые ученые правильно считали, что она возникает вследствие преломления света в каплях падающего дождя. Такого мнения придерживался, например, знаменитый французский ученый Рене Декарт, однако объяснить появление различных цветов он не смог. Первым, кто дал верный ответ, был Ньютон. И это не представляло для него особых трудностей. Ведь ключ к разгадке - знание законов преломления световых лучей разного цвета - был у него в руках.

Луч солнца, встречаясь с дождевой каплей, очень близкой по форме к шару, проникает в нее и преломляется. Так как вода оптически более плотная среда, чем воздух, луч, войдя в каплю, "прижимается" к перпендикуляру, восстановленному в точке падения. Дойдя до противоположной стороны капли, он выходит из нее, но не полностью - часть света отражается обратно и выходит из капли примерно с той же стороны, что вошла. При этом (в силу некоторых причин) наибольшее количество света выходит под углом в 138° (42°) к первоначальному направлению солнечных лучей. Именно этот свет и видит наблюдатель, если он находится в таком месте, куда свет приходит.

Почему же радуга имеет вид дуги, а не части диска?

Это объясняется тем, что в глаз наблюдателя попадает свет только от тех капель, направление на которые совпадает с обратным путем световых лучей, вышедших из капли, то есть соответствует углу в 42° по отношению к направлению лучей, идущих от солнца. Все точки пространства (в данном случае - это капли), которые видны наблюдателю под одним и тем же углом, должны лежать на окружности. Иными словами, геометрическое место точек, видимых под определенным углом, представляет собой окружность. Именно часть окружности, а не часть диска мы видим, наблюдая радугу.

Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно лишь вспомнить законы, установленные Ньютоном: "Солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости" и "лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степеням преломляемости".

Поэтому указанные значения углов 138° и 42° верны только для какого-то одного цвета, для всех других цветов углы будут отличаться. Правда, отличие не будет большим, потому что степени преломляемости для лучей разного цвета отличаются не так уж сильно. Но этого отличия достаточно, чтобы радуга стала разноцветной.

Часто можно наблюдать не одну, а сразу две радуги: одну над другой, причем верхняя, как правило, гораздо тусклее и шире нижней. Она получается в том случае, когда свет отражается внутри капли не один, а два раза и после этого выходит в воздух. Свет, вышедший из капли после двух отражений, слабее, так как и при втором отражении часть света не отразилась, а вышла из капли. Поэтому верхняя радуга слабее. Свет от нее приходит к глазу наблюдателя под углом в 129° (51°) к солнечным лучам. Средний угловой размер полной радуги составляет 102°, в то время как у нижней радуги этот размер равен 84°.

Путь лучей в дождевой капле. В нижней капле свет отражается только один раз и выходит обратно. В верхней капле свет, перед тем как выйти в воздух, отражается дважды

Попробуйте проверить свою наблюдательность. Постарайтесь вспомнить, каков порядок цветов в нижней и верхней радугах, считая от нижней границы нижней радуги.

Не многие сумеют сделать это правильно. Цвета следуют в таком порядке: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Далее идет полоса, в которой глаз не различает цветов, иногда она даже кажется более темной, чем остальная часть неба, на фоне которого видны радуги. За этой полосой начинается верхняя радуга; в ней порядок цветов обратный - от красного к фиолетовому.

Фиолетовый цвет радуги, особенно верхней, имеет розоватый оттенок и отличается от фиолетового, наблюдаемого в темной комнате от призмы. Это объясняется тем, что на него накладывается неразложенный, белый солнечный свет. От этого фиолетовый тон блекнет, приобретает красноватый оттенок.

Взаимное расположение наблюдателя, солнца и радуги.

Говорят, у англичан есть старинное поверье: если сумеешь дойти до подножия радуги, найдешь горшок с золотом. Но подобно тому как невозможно дойти до горизонта, нельзя дойти и до радуги. Есть и другая причина, по которой ни одному англичанину еще не удалось разбогатеть подобным образом, - радуга не имеет подножия. Она вовсе не дуга, а полная окружность.

Взаимное расположение наблюдателя, солнца и радуги

Правда, находясь на земле, мы никогда не видим ее целиком - нижняя часть в лучшем случае (при восходе или заходе солнца) оказывается на 42° ниже горизонта. Но, если дождь идет из туч, поднявшихся на высоту 5-6 километров, можно с вершины горы высотой 2,5-3 километра, из кабины самолета или какого-нибудь другого летательного аппарата увидеть полную радужную окружность. Более того, так как центр радуги находится на линии "солнце - глаз наблюдателя", а солнце - за его спиной, то в благоприятном случае точно в центре радуги можно увидеть тень горы, самолета и... свою собственную.

Говорят были счастливцы, которым удавалось наблюдать столь великолепное зрелище.

Возможно, некоторые задумывались над тем, отчего в наших широтах радугу можно увидеть либо у гром, либо к вечеру, то есть только на западном или восточном небосклоне? Ответ прост: чем выше поднимается солнце, тем ниже радуга уходит за горизонт или крыши домов и, наоборот, чем ниже солнце, тем выше и величественнее радуга.

Прежде чем перейти к следующему разделу, стоит сказать еще об одном интересном факте. Оказывается, яркость цветов в радуге зависит от величины дождевых капель. Если они крупные, 1-2 миллиметра в диаметре, то фиолетовая и зеленая полосы очень яркие, красная тоже хорошо заметна, но голубая видна слабо. Если капли меньшего размера, яркость красного цвета убывает. При диаметре капель 0,2-0,3 миллиметра он исчезает вовсе, хотя остальные цвета видны хорошо. При еще меньших каплях радуга расширяется и блекнет, и при совсем мелких капельках, порядка 0,05 миллиметра, она становится белой.

Однако, говоря о зависимости яркости цветов радуги от размера капель, мы забегаем вперед - при жизни Ньютона это явление не могло еще быть объяснено.