Теории всего на свете - Коллектив авторов

Насколько нам известно, первым такой вопрос задал Аристотель. Его ответ, содержащийся в трактате «О цветах», гласит: ближайшие к нам слои воздуха бесцветны, а воздух в глубинах неба голубой, точно так же, как тонкий слой воды бесцветен, а в глубоком колодце вода кажется черной. Эту идею повторяет уже в XIII веке Роджер Бэкон. Позже Кеплер также выдвинул сходное объяснение, утверждая, что воздух лишь выглядит бесцветным, поскольку насыщенность его окраски в тонком слое мала. Однако никто из них не предложил объяснения голубизны атмосферы.

В своей рабочей тетради, позже названной «Лестерским кодексом»[74], Леонардо да Винчи в начале XVI века писал: «Полагаю, голубизна, которую мы видим в атмосфере, являет собой не собственный ее цвет, а вызвана нагревом жидкости, при испарении порождающей самые крошечные и неразличимые глазом частицы, привлекаемые лучами солнца. Эти частицы кажутся сияющими на фоне глубокой тьмы той области огня, что образует покров, лежащий над ними». Увы, и великий Леонардо не дает ответа, почему эти частицы непременно должны быть голубыми.

Ньютон тоже внес свой вклад в решение проблемы, задавшись вопросом, почему небо голубое, и продемонстрировав в ходе экспериментов с рефракцией, совершивших настоящий переворот в науке, что белый свет можно разложить на составляющие его цвета.

После Ньютона к поискам ответа подключились многие ныне забытые и многие до сих пор памятные нам ученые. Что могло бы в результате рефракции порождать эффект, при котором мы наблюдаем такой избыток синего? В 1760 году математик Леонард Эйлер предположил, что волновая теория света, возможно, позволит объяснить, почему небо голубое. Девятнадцатое столетие характеризуется целым вихрем всевозможных экспериментов и научных наблюдений, от экспедиций на вершины гор для изучения неба до изощреннейших попыток воссоздать его голубизну в особой бутылке, как описано в замечательной книге Питера Пешича, которая так и называется – «Небо в бутылке». Проводились бесчисленные тщательные наблюдения небесной голубизны в различных местах, на различных высотах, в различное время, в том числе при помощи специальных приборов – цианометров. Первый цианометр создал Орас Бенедикт де Соссюр в 1789 году. У его прибора имелось 53 расположенных по кругу секции, чья окраска соответствовала разным градациям синевы. Соссюр предполагал, что причиной небесной голубизны должна служить некая взвесь, присутствующая в воздухе.

Долгое время многие другие ученые тоже подозревали, что некая примесь в воздухе «модифицирует» свет, заставляя его казаться голубым. В конце концов поняли, что это делает сам воздух – находящиеся в газообразном состоянии молекулы воздуха играют основную роль в его окраске. Цвет неба имеет глубинную связь и с атомной теорией, и даже с числом Авогадро. А это, в свою очередь, привлекло внимание Эйнштейна, который уделял внимание данной проблеме в период с 1905 по 1910 год.

Итак, небо имеет голубую окраску, поскольку падающие лучи света взаимодействуют с молекулами воздуха, находящимися в газообразном состоянии, таким образом, что больше света в голубой части спектра рассеивается, достигая поверхности планеты и наших с вами глаз. Собственно, все частоты падающего света могут рассеиваться таким образом, но голубой цвет (обладающий сравнительно высокой частотой и сравнительно малой длиной волны) рассеивается сильнее, чем оттенки более низких частот, в ходе процесса, известного как рэлеевское рассеяние и описанного в 1870‑е годы. Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей), в 1904 году получивший Нобелевскую премию по физике за открытие аргона, показал: когда длина волны света – того же порядка, что и размер молекул газа, интенсивность рассеивающегося света изменяется обратно пропорционально четвертой степени его длины волны. Лучи с меньшей длиной волны (скажем, голубые, синие и фиолетовые) рассеиваются сильнее, чем лучи с большей длиной волны. Все молекулы воздуха словно бы предпочитают светиться голубым, что мы и наблюдаем повсюду.

Но тогда небо должно бы казаться фиолетовым, ведь фиолетовый свет рассеивается еще сильнее, чем голубой. Однако небо не кажется фиолетовым: тут вступает в дело последняя – биологическая – часть загадки. Как выясняется, наши глаза устроены так, что они более чувствительны к голубому свету, нежели к фиолетовому.

Объяснение того, почему небо голубое, потребовало участия целого ряда естественных наук, рассмотрения множества факторов: здесь и цвета оптического спектра, и волновая природа света, и угол, под которым солнечные лучи попадают в атмосферу, и математика рассеяния света, и размер молекул кислорода и азота, и даже особенности восприятия света человеческим глазом. Вот сколько серьезной науки понадобилось для ответа на один-единственный вопрос, который может задать любой ребенок.

Красота восхода

Филип Кэмпбелл

Главный редактор Nature

Когда я впервые увлекся физикой, меня завораживала глубина ее объяснений вещей фундаментальных. К примеру, связь материи, энергии и пространства-времени в общей теории относительности казалась мне чрезвычайно изящным и глубоким объяснением (впрочем, так оно и есть).

А сегодня меня больше восхищают объяснения, лежащие в основе явлений, которые мы постоянно, каждый день видим вокруг себя и которые так легко принять как нечто само собой разумеющееся.

Как щедро солнце, что всегдаявляется в урочный час(не опоздает никогдараскрыть нам снова тайну дня).

Эти строки Э. Э. Каммингс написал в начале своего лирического прославления нашей звезды. Как нетрудно понять, в них превозносится ежедневное событие – восход. Мы воспринимаем его как нечто (не)значительное и (не)таинственное, но это восприятие может стать для кого-то еще глубже, если мы узнаем о (по меньшей мере) трех объяснениях, которые лежат в основе данного явления. Каждое из них обладает как минимум одним из качеств, обозначенных в вопросе Edge: глубиной, изяществом или красотой.

Если вы (как и я) живете в умеренных северных широтах, вы наверняка знаете, что на ближайшем к вам горизонте, примерно между юго-востоком и северо-востоком, ежедневно поднимается солнце, причем точка пересечения им линии горизонта меняется в течение года: восход происходит все позже по мере того, как его точка смещается к северу и дни укорачиваются, а после зимнего солнцестояния процесс поворачивает вспять. За этим довольно сложным поведением таится простая истина: солнце точно соблюдает расписание, и мы можем на него положиться, рассчитывая, что каждое утро где-то в восточной стороне оно будет подниматься над горизонтом.

Подобно великим творениям искусства, великое научное объяснение не теряет своей способности внушать восторженный трепет всякий раз, когда мы к нему обращаемся. В частности, так обстоит дело и с объяснением, согласно которому суточные и годовые циклы восходов вызваны вращением чуть наклонной Земли вокруг Солнца, чье положение относительно некоторой оси можно считать фиксированным – благодаря закону сохранения, по-прежнему остающемуся для нас загадкой.

В отличие от двух других выбранных мною объяснений вышеприведенное десятилетиями наталкивалось на скептицизм со стороны ученых. Гелиоцентрическое представление о Солнечной системе, предложенное Коперником в середине XVI столетия, широко приняли только ближе к середине XVII века. Мне кажется, эта победа над твердолобым научным скептицизмом и религиозной враждебностью лишь добавляет ему привлекательности.

Еще одно объяснение тоже явно обладает изяществом. Оно показывает, почему цвет неба меняется по мере подъема солнца. Лорд Рэлей сменил Джеймса Клерка Максвелла на посту кавендишского профессора физики[75] в Кембридже. Среди его первых достижений – формулировка законов рассеяния света. Его первая попытка вывести эти законы основывалась на неверной предпосылке: он считал, что свет рассеивается в упругом эфире. Хотя существование такого эфира опровергли только годы спустя, он заново провел свои расчеты, используя электромагнитную теорию Максвелла, носящую в высшей степени объединительный характер (иными словами, соединявшую в себе объяснение целого ряда разнородных явлений). «Рэлеевское рассеяние» – результат применения этих теорий к тем случаям, когда электромагнитная волна встречает на своем пути электрически поляризованные частицы значительно меньшего размера по сравнению с длиной этой волны. Как обнаружил Рэлей, интенсивность такого рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. К 1899 году он показал, что сами молекулы воздуха являются мощными «рассеивателями».