Теории всего на свете

Детский вопрос

Мое любимое объяснение – то, которое я пытался найти еще в детстве. Почему небо голубое? Этот вопрос задает всякий малыш, но к нему обращалось и большинство великих ученых со времен Аристотеля, в том числе Леонардо да Винчи, Исаак Ньютон, Иоганн Кеплер, Рене Декарт, Леонард Эйлер и даже Альберт Эйнштейн.

Едва ли не больше всего (если не считать безыскусной простоты самого вопроса) мне в этом объяснении нравится то, сколько веков человеческих усилий потребовалось на получение приемлемого ответа и сколько отраслей науки пришлось для этого привлечь.

В отличие от других повседневных явлений вроде восхода и захода Солнца, цвет неба не вдохновил людей (даже древних греков или древних китайцев) на создание большого количества мифов, однако с давних пор все-таки имелось некоторое количество ненаучных объяснений окраски небосвода. Лазурность неба не скоро попала в категорию научных проблем, но когда это произошло, она, прямо скажем, надолго привлекла внимание ученых. Почему атмо сфера окрашена, хотя воздух, которым мы дышим, бесцветен?

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.