Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Эффекты интерференции (часто называемые дифракцией) становятся еще заметнее при диаметре капель меньше 40 микрон (0,04 миллиметра). В этом случае цвета разнесены так сильно, что волны разных цветов полностью перекрываются, все цвета смешиваются и радуга становится белой. В белой радуге часто видна одна или две темные полосы (дополнительные радуги). Белые радуги очень редки, я их ни разу не видел. А вот мой ученик, Карл Уэльс, в середине 1970-х годов прислал мне фотографии нескольких красивых белых радуг. Он сделал фото в летнее время в два часа ночи (да, в два ночи) с Ледяного острова Флетчера, то есть с огромного дрейфующего айсберга (площадью 5 × 11 километров). На тот момент айсберг находился в 500 километрах от Северного полюса.

Белые радуги можно также увидеть в тумане, состоящем из исключительно крошечных капелек воды. Такие радуги трудно, но все же можно заметить; вы могли видеть их много раз, не осознавая этого. Обычно они появляются, когда туман достаточно слабый, чтобы солнечный свет мог через него просвечивать. Оказавшись на берегу реки или в гавани ранним утром, когда солнце еще совсем низко, а туман – обычное явление, я охочусь за белыми радугами в тумане и видел их не раз.

Такую радугу иногда можно создать с помощью автомобильных фар. Если вы окажетесь за рулем в ночном тумане, постарайтесь найти безопасное место для парковки. Или, если вы находитесь у себя дома, когда сгущается туман, разверните автомобиль в сторону тумана и включите фары. Затем отойдите от машины и смотрите на туман в лучах фар. Если вам повезет, вы увидите туманную радугу. Они делают мрак туманной ночи еще более жутким и потусторонним. Вы можете посмотреть, что произошло, когда один парень вдруг увидел такую радугу, которую сам же создал в фарах своего автомобиля, на сайте www.extremeinstability.com/08-9-9.htm. Заметили темные полосы в белых дугах?

Размером капель воды и волновой природой света также объясняется еще одно из красивейших оптических явлений, украшающих небо, – глории. Они лучше всего видны, когда летишь в самолете над облаками. Поверьте мне, их действительно стоит поискать. Для этого вы должны сидеть у окна не над крыльями, которые перекрывают вид вниз. Вам также надо убедиться, что солнце находится на стороне самолета, противоположной вашему месту, так что придется обратить внимание на время суток полета и направление рейса. Если из вашего окна видно солнце, эксперимент не получится. (В таком случае просто поверьте моим словам; полное и убедительное объяснение потребовало бы слишком много сложных математических выкладок.) Если все описанные выше условия соблюдены, попытайтесь вычислить место нахождения точки солнечного противостояния и смотрите вниз на нее. Если вам повезет, вы увидите в облаках цветные кольца, а если ваш самолет летит не слишком высоко над облаками, то увидите вокруг его тени глорию. Диаметр глорий варьируется от нескольких до приблизительно 20 градусов. Чем меньше капли, тем больше глории.

Я сделал множество фото глорий; на некоторых хорошо видна тень моего самолета, и, что самое забавное, мое сиденье в авиалайнере находится в самом центре глории, то есть в точке солнечного противостояния.

Впрочем, увидеть глории можно в самых разных местах, а не только из самолета. Альпинисты часто их видят, когда солнце находится у них за спиной, а они сами смотрят вниз в туманную долину. В этих случаях эффект получается довольно пугающий, мрачный и потусторонний. Альпинисты видят собственную тень, проецируемую на туман, в окружении глорий, иногда в нескольких цветных кольцах, и выглядит это весьма мистически. Данное явление также известно как призрак Броккена (или огненная радуга); оно названо так в честь высокого пика в Германии, где его видят особенно часто. На самом деле глории вокруг теней людей настолько похожи на нимбы, а сами фигуры выглядят настолько потусторонними, что вы вряд ли будете сильно удивлены, узнав, что слово glory – это архаизм, обозначающий круг света вокруг головы святого. А в Китае глории называют огнем Будды.

Однажды я сделал чудесное фото собственной тени, окруженной глорией, которое назвал образом святого Уолтера. Много лет назад я по приглашению моих друзей, астрономов из России, приехал в горы Кавказа, чтобы увидеть шестиметровый телескоп. На тот момент это был самый большой телескоп в мире. Погода для наблюдений за небом была просто ужасной. Каждый день, сколько я там пробыл, где-то в половине шестого вечера из лежащей ниже долины поднималась стена тумана, полностью окутывавшая телескоп. По-настоящему полностью; за все время моего визита мы так и не смогли произвести каких-либо наблюдений.

Как бы там ни было, через несколько дней пребывания в горах мне в голову пришла мысль, что я могу тут сделать фантастические снимки. Когда туман начинал заползать из долины, которая находилась на востоке, солнце на западе светило еще ярко – условия, идеальные для глорий. На следующий же день я принес фотоаппарат в обсерваторию и страшно нервничал, что именно в этот день туман откажется со мной сотрудничать. Однако в должное время стена тумана начала наползать, а солнце еще светило; я стоял к нему спиной. Я ждал и ждал, а потом, бум, и вокруг моей тени появился ореол. И я щелкнул. Я не мог дождаться момента, когда проявлю пленку – это была еще доцифровая эпоха, – но игра стоила свеч! Моя тень была длинной и выглядела призрачно, а тень моей камеры оказалась в самом центре колец великолепной глории.

Впрочем, чтобы увидеть нимб вокруг своей головы, вовсе не обязательно забираться в такое экзотическое место, как горы Кавказа. Если вы посмотрите на свою тень на клочке покрытой росой травы ранним солнечным утром (конечно, солнце должно находиться непосредственно позади вас), то сможете увидеть то, что на немецком языке называется Heiligenschein, или «святой свет»: свечение вокруг тени вашей головы (оно не будет разноцветным; это не глория). Данный эффект создают капли росы на траве, отражающие солнечный свет. Если захотите попробовать это сделать – а я надеюсь, что захотите, – то знайте, что это проще, чем найти глории. Вы увидите свечение, потому что это раннее утро и солнце находится низко, следовательно, ваша тень будет довольно длинной и вы будете похожи на удлиненные фигуры с нимбами святых на картинах средневековых художников.

Много разных типов радуг, глорий и нимбов могут удивить вас в самых неожиданных местах. Я, например, встретил свой любимый вид одним солнечным днем в июне 2004 года – помню, это был день летнего солнцестояния, 21 июня; мы приехали в музей Де Кордова в городе Линкольн с Сьюзен (которая в то время еще не стала моей женой), моим сыном и его подругой. Мы уже шли по парку ко входу, когда сын окликнул меня. Прямо перед нами, на земле, распростерлась потрясающая, ярчайшая, почти круговая радуга. (Потому что, как помните, это был день солнцестояния и светило находилось так высоко, как только может находиться в Бостоне, почти под углом в 70 градусов над горизонтом.) Вид был такой, что аж дух захватывало!

Я вытащил фотоаппарат и нащелкал кучу фотографий – так быстро, как только мог. Все получилось уж очень неожиданно. У земли не было ни одной капли воды, и я быстро понял, что эта радуга в любом случае не могла состоять из капель, потому что ее радиус был значительно меньше 42 градусов. И все же выглядело это точно как радуга: красный на внешней стороне дуги, синий на внутренней, а внутри яркий белый свет. Откуда же она взялась? Я понимал, что это чудо состоит из прозрачных, сферических частиц какого-то вещества, но из чего именно?

Одна из сделанных мной тогда фотографий получилась так хорошо, что стала фотографией для астрономических загадок НАСА того дня; ее разместили на сайте НАСА 13 сентября 2004 года[17]. (Это кстати, потрясающий сайт; настоятельно рекомендую заходить на него каждый день по адресу: http://apod.nasa.gov/apod/astropix.html.) В результате я получил около трех тысяч вариантов отгадок относительно того, что же это такое. Мой любимый ответ – написанное от руки письмо Бенджамина Гайслера четырех лет от роду: «Я думаю, ваша загадочная фотография нарисована цветными карандашами, маркерами и мелками». Сейчас оно висит на доске объявлений у моего кабинета в МТИ. Из всех полученных мной ответов всего тридцать респондентов думали в верном направлении, но только пятеро ответили абсолютно правильно.

Отличной подсказкой к разгадке этой головоломки может служить то, что в музее в тот момент проводили капитальный ремонт. В частности, его стены обрабатывались пескоструйным аппаратом. Маркос Хэнкин, который отвечал за физические демонстрации в Массачусетском технологическом институте и с которым я сотрудничал на протяжении многих лет, сказал мне – тогда я этого не знал, – что в некоторых видах таких аппаратов используются стеклянные шарики. И во дворе музея на земле было разбросано огромное множество крошечных стеклянных бусинок. Я взял горсть домой. Так что то, что мы тогда видели, было стеклянной радугой, ставшей в настоящее время официальной категорией радуг – радуг, образованных стеклянными шариками; она имеет радиус около 28 градусов, но точное значение зависит от типа стекла бусин.