Удивительная физика

Маятник длиною… в час?

Когда говорят о колебаниях, обычно вспоминают маятник. Почему же он колеблется? И чем замечательны его колебания?

Есть остроумный, хотя и немного садистский способ охоты на медведя. На этом способе можно понять, как колеблется маятник, да и вообще механические колебательные системы. Суть способа состоит вот в чем.

На дерево, где живут дикие пчелы, часто лезут медведи, чтобы полакомиться медом. А охотник по дороге к меду подвешивает на веревке тяжелый чурбан так, чтобы он мешал медведю. Зверь толкает чурбан лапой, тот приходит в колебательное движение и на обратном ходу ударяет медведя (рис. 92). Медведь злится и еще сильнее бьет по чурбану. А тот, приобретая размах, или, по-научному амплитуду, соответственно бьет медведя. Постепенно размах колебаний растет, и на каком-то из них сраженный чурбаном медведь падает вниз прямо «в лапы» охотнику.

Зададимся вопросом: почему возникли колебания чурбана? Первое: была масса, т. е. сам чурбан. Второе: чурбан, т. е. массу, сдвинули, или нарушили равновесие, возмутили его. Силу медведя, возмутившую это равновесие, назовем возмущающей или вынуждающей. От медвежьего толчка чурбан отодвинулся в сторону, но, будучи подвешен на веревке, снова устремился к положению равновесия. Это происходит потому, что, отклонившись на веревке, чурбан чуть приподнялся над положением, которое он занимал при равновесии, и сила тяжести влечет его снова занять прежнее, наиболее низкое положение равновесия. Эта сила как бы восстанавливает положение равновесия чурбана-маятника, и потому назовем ее восстанавливающей силой.

Если бы медведь был поумнее и отодвинулся бы в сторону, то чурбан совершал бы свои колебания сам по себе, свободно. Такие колебания назовем собственными колебаниями, а частоту их – собственной частотой, так как собственно сам чурбан их и создает. Постепенно эти колебания затухают, и их можно назвать затухающими. Но если медведь вновь примется толкать чурбан, вынуждая его увеличивать размах колебаний, то такие колебания справедливо назвать вынужденными. И если медведь окажется столь глупым, что будет толкать чурбан с частотой собственных колебаний, то размах будет все увеличиваться, пока не наступит катастрофа – падение медведя. Такой случай, когда частота возмущающей силы совпадает с частотой собственных колебаний, называется резонансом.

Вот мы и изучили физические причины, вызывающие колебания, а к тому же вспомнили основную терминологию, связанную с этим явлением.

Восстанавливающая сила может быть не только силой тяжести, как в нашем случае. Она может быть, например, и силой упругости, если бы чурбан был подвешен на пружинах. Многие силы могут быть восстанавливающими, лишь бы они восстанавливали равновесие.

Возвращаясь к нашему случаю с медведем, зададимся вопросом: а как выбирать длину веревки, на которой подвешен чурбан? Чем длиннее веревка, тем больше размах, но тем больше и время, через которое чурбан снова вернется к медведю и ударит его. Назовем это время периодом колебаний, так как возврат в исходное положение при колебаниях происходит не однократно, а периодически. Так вот если период будет слишком велик, то медведь успеет проскочить к меду, минуя удар чурбаном. Значит, длиной веревки, на которой подвешен чурбан, мы регулируем период колебаний. Чем длиннее веревка, тем больше период.

Но важно то, что этот период не зависит от размаха колебаний. Мала или велика, конечно, в определенных пределах, амплитуда колебаний маятника, период колебаний маятника зависит не от нее, а как мы установили, только от длины маятника. Даже сопротивление воздуха движению маятника существенно не влияет на период. И все это первым заметил Галилео Галилей. Он не был охотником на медведей. Просто будучи добрым католиком, Галилей много времени проводил в соборе, где помимо прочего наблюдал за колебаниями светильника на длинном подвесе (в православных храмах такой светильник называют паникадилом). Он, измеряя период колебаний биением своего пульса (наручных-то часов тогда не было!), и пришел к выводу, что ни масса подвешенного груза, ни амплитуда колебаний практически не влияют на период.

Это был очень важный вывод – на его основании впоследствии были изобретены точные маятниковые часы, и созданы они были великим голландским физиком Христианом Гюйгенсом (1629—1695). Но об этом потом. А пока нам важно знать, что Гюйгенс первым установил зависимость периода колебаний от длины маятника. Если груз на подвесе считать маленькой тяжелой точкой (такой маятник называется математическим), то период Т колебаний прямо пропорционален корню квадратному из длины маятника l. Если эти колебания происходят не на поверхности Земли, а на Луне например, или на высокой горе, или в глубокой шахте, то там ускорение силы тяжести отличается от того, к которому мы привыкли: g = 9,81 м/с². И тогда нам важно знать, что период колебаний обратно пропорционален корню квадратному из ускорения силы тяжести. Иначе говоря, формула Гюйгенса имеет вид:

Сам автор для практических целей пользуется упрощенной формулой. Так как число π в квадрате очень близко к значению ускорения силы тяжести на уровне океана (т. е. не на высокой горе или в глубокой шахте), то формула упрощается и приобретает вид:

Если, например, длина маятника равна 1 м, то период колебаний равен 2 секундам: секунда – туда, секунда – обратно. Значит, имея часы, можно измерять длину. И наоборот, рулетка может стать измерителем времени, а часы – расстояния! Но удобнее, конечно, первый вариант.

Если задаваться необходимым периодом колебаний, то можно вычислить длину маятника по упрощенной формуле:

l = 0,25 T 2

Эта формула тут же подтверждает, что длина маятника с периодом 2 секунды равна 1 м. А интересно, каков будет маятник длиною в час? То есть чтобы период его был равен часу или 3 600 секундам? Подставляем и получаем:

l = 0,25 х 3 600 2 = 3 240 000 м, или 3 240 км!

Да это ни в каком соборе не поместится!

Интересно, а если маятник на Земле (на уровне океана) имеет период в 1 секунду, то каков будет его период на Луне, где ускорение силы тяжести 1,6 м/с²? Так как это в 6,13 раза меньше, чем на Земле, то колебания будут происходить в ^6,13, или 2,47 раза медленнее, а период будет в 2,47 раза больше, или 2,47 секунды. Стало быть, маятниковые часы на Луне будут здорово отставать.

Напротив, на планетах-гигантах, где ускорения силы тяжести огромны, эти часы-ходики, если там их механическая прочность выдержит сильнейшую гравитацию, будут сильно спешить.

На Земле подобное тоже может иметь место. Например, на высоких горах ускорение силы тяжести чуть-чуть меньше, чем на уровне океана. Там ходики будут идти медленнее, но период колебаний маятника будет реагировать на это еще меньше, так как он зависит от корня квадратного из соотношений ускорений сил тяжести. Это отставание практически заметить будет нельзя. Скорее всего, на Эльбрусе, например, ходики будут спешить по сравнению с уровнем Черного моря, так как на высокой горе холоднее, маятник из-за охлаждения укоротится и часы, в соответствии с формулой Гюйгенса, заспешат!

С опусканием в шахту ходики опять же заспешат из-за некоторого увеличения ускорения силы тяжести, но лишь до некоторой глубины, точно указать которую трудно. После нее из-за снижения ускорения силы тяжести ходики снова отстанут (рис. 93), ну а в центре Земли, если мы туда попадем, они и вовсе остановятся. Ибо там невесомость и ускорение силы тяжести равно нулю.

Интересно, что точно так же ходики остановятся в падающем лифте и в спутнике, летящем вокруг Земли с неработающими двигателями, где, как известно, тоже невесомость.

Но если создать искусственную гравитацию вращением спутника, например, вокруг своей оси, то ходики снова заработают, но только в том случае, если колебания маятника будут совершаться в плоскости вращения спутника.

А если нет? Ходики будут всеми силами сопротивляться этому, и что произойдет в результате, вы узнаете чуть дальше.

Что «сотворил» Фуко с маятником?

Наблюдать за качаниями светильников в соборе, оказывается, любил не только Галилей. Эту страсть он передал и своему ученику Винченцо Вивиани. В 1660 г. в отличие от Галилея он обратил внимание на другую особенность колебаний маятника на длинной нити.

Оказывается, плоскость их качаний постоянно отклоняется, причем всегда в одну и ту же сторону – по часовой стрелке, если смотреть на маятник сверху вниз. А в 1664 г. ученый из города Падуи Джованни Полени связал это отклонение с вращением Земли – дескать, Земля вращается, а плоскость колебаний маятника как была, так и остается. Вот и наблюдается это стоящими на Земле людьми как отклонение плоскости качаний маятника.

Но оказывается, это свойство маятника было известно и вездесущим древним. Действительно, новое – это хорошо забытое старое. Вот что писал по этому поводу в своей «Естественной истории» римский ученый Плиний Старший, живший в I в. н. э.: «Есть возможность устроить компас без магнита. Для этого нужно взять маятник и заставить его качаться по определенному направлению. При поворотах корабля маятник будет сохранять в своих качаниях заданное ему направление» (рис. 94).

Надо сказать, кое-что в совете Плиния вызывает сомнение. Первое – не мог Плиний знать про компас, в Европе про него узнали гораздо позже, по крайней мере дали это название. Так что многое, приписываемое Плинию, вполне мог внести от себя переводчик его трудов с латыни в XVIII в. Второе – невозможно, чтобы так долго маятник не изменял плоскости своих колебаний, его подвес сделать идеальным нельзя, да и воздух вокруг будет давать помехи. И третье – вращение Земли будет само «отклонять» плоскость колебаний маятника, так что корабль «заходит» по кругу. Но так или иначе, Плинием было замечено, что маятник сохраняет плоскость своих качаний. И это свойство блестяще применил французский ученый Жан Бернар Леон Фуко (1819—1868), создав свои знаменитые маятники. С детства Фуко учиться не любил, знания давались ему с трудом. Но руки у него были золотые – он мастерил игрушки, приборы, сам построил паровую машину, прекрасно работал на токарном станке.

Однажды Фуко заметил, что если зажать в патроне станка длинный упругий стальной прут и заставить его колебаться (рис. 95), то плоскость колебаний не изменится даже при быстром вращении патрона. Заинтересовавшись этим явлением, Фуко стал наблюдать сначала за поведением того же прутка во вращающемся патроне, а затем для удобства решил заменить его маятником.

Первые опыты с маятником Фуко провел в погребе своего дома в Париже. К вершине свода погреба он прикрепил двухметровую проволоку из закаленной стали и подвесил на ней пятикилограммовый латунный шар. Отведя шар в сторону, зафиксировав его с помощью нити возле одной из стен, Фуко пережег нить, предоставив маятнику возможность свободно качаться. И уже через полчаса он стал свидетелем вращения Земли.

Это произошло 8 января 1851 г. А спустя несколько дней Фуко повторил свой опыт в Парижской обсерватории по просьбе ее директора, знаменитого французского ученого Араго. На этот раз длина проволоки составляла уже 11 м. И отклонение плоскости качания маятника было еще заметней.

Об опыте Фуко заговорили повсюду. Всем хотелось своими глазами увидеть вращение Земли. Дело дошло до того, что президент Франции принц Луи-Наполеон решил поставить этот опыт в поистине гигантских масштабах, чтобы демонстрировать его публично. Фуко было предоставлено здание парижского Пантеона с высотой купола 83 м.

Уже в апреле того же 1851 г. опыт Фуко был открыт для обозрения в Пантеоне (рис. 96). Длина подвеса маятника – стальной проволоки диаметром 1,4 мм – была 65 м, масса маятника – 28 кг. Металлический шар совершал одно полное колебание за 16 секунд, проходя 14 м пути, и отклонялся при этом на 2,5 мм от первоначального положения. Особый электромагнит поддерживал постоянство колебаний.

Посмотреть на маятник Фуко приходили целые толпы парижан. Демонстрации опыта Фуко стали устраивать в самых разных странах. Сообщения об этом приходили из Ливерпуля и Оксфорда, Бристоля и Дублина, Женевы и Ренна. Даже в Рио-де-Жанейро и в Коломбо на Цейлоне этому замечательному опыту аплодировали тысячи восторженных зрителей. Появились и комнатные модели маятников Фуко.

Но самым грандиозным в свое время был опыт с маятником Фуко в здании Исаакиевского собора в Ленинграде (нынешнем Санкт-Петербурге) (рис. 97). Первая демонстрация его состоялась 6 марта 1931 г. На стальной проволоке диаметром 1 мм и длиной 98 м был подвешен бронзовый шар массой 60 кг. Достаточно северное положение города обеспечивало значительное отклонение маятника – за час примерно 13°. Это в два с лишним раза больше, чем у самого Фуко в Пантеоне. За одно колебание плоскость качаний смещалась на 6 мм, что было хорошо видно.

Устроить небольшой маятник Фуко можно и самому. Нужно приготовить маятник, например, привязав к нитке тяжелую гайку, взять в руку свободный конец нитки и… Нет, вам не придется стоять часами, ожидая, пока Земля повернется. Лучше станьте на известную скамью Жуковского или даже на покупную «Грацию» и, вытянув руку с качающимся маятником, попробуйте завращать себя. Маятник в вашей руке будет сохранять первоначально заданное направление колебаний, например от двери к шкафу (рис. 98).

И еще про Фуко, вернее, про пример его жизни. Он плохо учился в школе (внимание, лентяи!), не тянулся к знаниям. К тому же у него было очень слабое здоровье. Но увлекшись интересным делом, он стал знаменитым на весь мир ученым, его имя вошло во все энциклопедии. И не только из-за его маятника. Фуко измерил скорость света как в воздухе, так и в воде, открыл свои вихревые «токи Фуко» и сделал много других открытий в физике.

Вот что такое увлеченность!

Как колебания мерят время?

Маятник все время связывают с часами, а вот в чем состоит его роль в них, знают не все. Ну, допустим, делает маятник длиной в 1 м одно колебание в секунду (туда – секунда, обратно – секунда). А какое отношение это имеет к часам? Что, часы считают и складывают эти секунды, как механический арифмометр? Да и вообще, для чего были придуманы громоздкие и сложные маятниковые часы, когда были весьма точные водяные и песочные?

Ну, прежде всего, никто не отменял часы водяные и песочные. Водяные мы видели в телепередачах из форта Байяр, а песочные сплошь и рядом используются в практической жизни, хотя бы в физиотерапевтических кабинетах. Вставили, допустим, в ухо прогреватель и перевернули часы. Как пересыпается песок – конец процедуре.

Но заметим, что постоянно «идущих» песочных часов не может быть в принципе. Они, как говорят, дискретного действия. А человеку стали нужны часы, постоянно отмеряющие время. Хотя бы для того, чтобы «сверять часы». Чтобы в разных домах и даже городах полдень и полночь наступали одновременно, а не вразнобой. И тогда вспомнили о маятнике, о том, что он имеет один и тот же период колебаний независимо от величины их размаха или амплитуды. Но при этом встают две проблемы: как поддерживать колебания маятника, чтобы он не остановился, и как складывать периоды колебаний, выдавая общее, суммарное время.

Помните, в самом начале повествования о колебаниях мы упомянули медведя, толкающего подвешенный на веревке чурбан. Так вот, первую проблему этот медведь уже решил – толкая чурбан, он поддерживает незатухающие колебания маятника. И если бы этот медведь был ученым (или вместо него на дереве сидел бы человек с калькулятором) и считал бы каждое колебание, складывая их, и выдавал бы сумму, то это были бы самые настоящие маятниковые часы. Остается только заменить этого медведя механизмом.

Это было сделано уже в VI в. н. э., к которому относятся первые упоминания о механических часах. Но достоверные сведения о первых часах появились лишь в конце 900-х гг. (успели-таки сдать объект в первой тысячелетке!), когда французский монах Жербе (кстати, ставший в 999 г. папой Сильвестром Вторым) построил достаточно точные

механические часы с гирей (рис. 99). Часы постепенно улучшались и к 1300 г. появились во многих городах Европы. Заметим, что у таких часов стрелка была всего одна, и часто вместо стрелки вращался циферблат, а стрелка закреплялась неподвижно. В древней Москве, в частности, были именно такие башенные часы – с вращающимся циферблатом, причем, как писали, вращался он со страшным скрипом, так как его забывали смазывать.

Маятник древних часов был поперечным – линейка с двумя грузами на концах связывалась с особой шестерней с острыми зубьями так, чтобы при одном колебании успевал проскакивать только один зубец. Этот же зубец толкал (как медведь!) маятник, не давая его колебаниям затухнуть. Таким образом скорость вращения этой шестерни непосредственно кинематически связывалась с колебаниями маятника, например, один оборот шестерни, содержащей десять зубьев, происходил за десять колебаний маятника. Если период колебаний был равен 1 секунде – то за 10 секунд. Оставалось только связать системой зубчатых колес эту шестерню со стрелкой, чтобы та вращалась в 4 320 раз медленнее, и дело сделано. Часовая стрелка или циферблат (как кому нравилось) совершали при этом полный оборот за 12 часов!

Но это были часы не очень совершенные. Точность их хода сильно зависела от величины подвешенного груза, который и вращал шестерню, и толкал таким образом маятник. Восстанавливающая сила (загляните в пример с медведем!) зависела от массы груза, «смазанности» механизма и других причин, что делало часы неточными и ненадежными.

Изобретением настоящих, точных и надежных маятниковых часов мы обязаны Христиану Гюйгенсу, который создал их в 1656 г. Вся прелесть часов Гюйгенса была в том, что маятник совершал свои колебания под действием восстанавливающей силы, зависящей только от силы тяжести, то есть постоянной (для жителей Земли, разумеется). И, как мы знаем, даже подъем на горы и спуск в шахты, а также изменение плотности воздуха из-за погоды почти не влияли на период колебаний такого маятника.

Это был обычный маятник – груз, подвешенный на стержне с возможностью изменения длины его подвеса, чаще всего обычной гайки на резьбе, что нужно для точного регулирования периода колебаний. Вся хитрость состояла в так называемом спусковом механизме, таком, который позволял бы сделать колебания маятника незатухающими, и в то же время почти не изменял бы периода его колебаний.

Спусковой механизм (рис. 100, а) состоит из спускового колеса 1, так или иначе подгруженного гирей 4 (на рисунке она свисает справа, подгружая колесо 1 по часовой стрелке), и анкера 2, связанного с маятником 3. Зубья колеса 1 толкают поочередно то левое, то правое плечо анкера 2, раскачивая маятник 3. При этом с каждым качанием проскакивает по одному зубу спускового колеса, делая таким образом частоту его вращения зависящей от периода колебаний маятника. Связать спусковое колесо со стрелками часов – часовой и новой, второй стрелкой – минутной было уже делом техники. Секундная стрелка появилась совсем в новое время, когда счет времени пошел на секунды. Наиболее точный ход часов – при малых амплитудах колебаний маятника, порядка 3 – 8 °. На рис. 100, б показаны усовершенствованные спусковое колесо и анкер реальных маятниковых часов. Видно, что в анкере закреплены по его концам так называемые палеты, изготовленные из закаленной стали или даже твердых камней, обычно агата или рубина. Длина палет регулируется так, чтобы они поочередно выходили из зацепления со спусковым колесом, и оставшаяся в зацеплении палета толкала анкер и весь маятник слева направо. Обратно же маятник возвращается сам.

а – общий вид: 1 – спусковое колесо; 2 – анкер; 3 – маятник; 4 – гиря; б – спусковой механизм усовершенствованного типа

Всем хороши маятниковые часы – и точны, и несложны, но не переносят тряски и качки. Попробуйте, наклоните маятниковые часы вбок – и анкер перестает работать. Поэтому их особенно точно «выставляют» в вертикальное положение и закрепляют так.

Что ж, для башенных, напольных, настенных часов маятник очень удобен. Но людям хотелось бы «носить» время с собой – иметь карманные или наручные часы. Маятник здесь неуместен, даже смешон. И еще одна проблема – точное время очень нужно морякам для определения координат корабля в открытом море. А маятниковые часы «болеют» морской болезнью – не выносят качки. Вот в первую очередь для морских дел и были созданы часы с балансирным (или балансовым) маятником.

Мы уже говорили, что восстанавливающая сила может быть не только силой тяжести, но и силой упругости. Вот и был заменен маятник, фактически вращающийся на ограниченный угол в 3 – 8°, массивным кольцом-маховичком, поворачивающимся уже на 270—300°. А так как в кольце этом, или балансе, силы тяжести уравновешены, в отличие от маятника, то в положение равновесия его приводила тоненькая спиральная пружинка, называемая волоском. Вот мы и получили устройство, изображенное на рис. 101, а. То же спусковое колесо 1, тот же анкер 2, но вместо маятника колеблется баланс 4, подпружиненный пружинкой-волоском 3. На рис. 101, б показана более усовершенствованная схема спускового механизма с балансом. Здесь палеты ударяют по несколько видоизмененным зубьям колеса и толкают баланс, подпружиненный волоском. Период колебаний баланса регулируется изменением длины закрепления этого волоска, что можно видеть, если снять крышку, например, с механического будильника. А кроме того, вместо громоздких гирь часы стали снабжаться энергией от компактной заводной пружины-двигателя.

а – общий вид: 1 – спусковое колесо; 2 – анкер; 3 – пружинка-волосок; 4 – баланс; б – усовершенствованная схема спускового механизма с балансом

В результате получили механизм, изображенный в «развернутом виде» на рис. 102. Это современные механические часы, не уступающие своего места часам электронным. Одно время, в самом конце XX в., казалось, что механическим часам пора «на пенсию». Но оказалось, что они стали даже еще престижней электронных. Особенно с самоподзаводом (очередным «вечным двигателем», работающим от движения руки), календарем и прочими удобствами.

Забегая вперед, скажем, что и в кварцевых, и в чисто электронных часах все равно «эталоном» времени являются колебания. Разница лишь в том, как эти колебания преобразуются и «выводятся» на стрелочный или цифровой индикатор.

Что слышат люди, киты и вампиры?

Колебания не обязательно возникают только там, где есть масса отдельно и пружина отдельно. Если пружина достаточно массивна, то она может вызывать колебания и сама, стоит только их возбудить. Если резко толкнуть пружину, так, как показано на рис. 103, то она придет в колебательное движение, по ней как бы пойдут волны. Такие волны, которые идут вдоль упругого тела, вызывая его попеременное сжатие и растяжение, называются продольными.

Бывают еще волны поперечные, или стоячие. Если бросить камень в воду, то от него пойдут именно волны поперечные (рис. 104). Очень наглядно образуется поперечная волна на слабо натянутой веревке, если ее дернуть поперек (рис. 105). Это покажется странным, но именно такой волной является волна световая, да и радиоволна. Об этом мы поговорим попозже, а пока посмотрим, что это за волны – звуковые.

Воздух – та же пружина, только без отдельных витков, непрерывная. И если мы будем поступать с воздухом так же, как и с пружиной на рис. 103, то он также придет в колебательное движение (рис. 106). Воздух имеет достаточную массу – около 1,3 кг/м³, он упруг – под поршнем ведет себя как настоящая пружина. Поэтому и по нему пойдут продольные волны, как и по пружине.

Частота колебаний, измеряемая в герцах, это величина, обратная периоду. Если период колебаний маятника 2 секунды (помните маятник метровой длины?), то его частота – 1/2 Гц. Так вот, если колебания воздуха совершаются с частотой от 16 до 20 000 Гц, то это воспринимается как звук. Только очень большие «слухачи» могут услышать весь этот интервал частот. Обычно слышат от 20 до 18 000 Гц; 20 Гц – это, пожалуй, раскаты грома, а 18 000 – тончайший комариный писк.

У пожилых людей верхний порог слышимости иногда понижается до 6 000 Гц; напротив, некоторые дети слышат до 22 000 Гц. А собаки могут услышать и до 38 000 Гц, т. е. идут, пожалуй, наравне с грудными младенцами.

Еще дальше зашли в этой способности летучие мыши (некоторых из них называют «вампирами»). Они могут издавать и воспринимать звуки от 25—50 до 210 000 Гц – это самое большее, на что способны животные (рис. 107).

Используют они эту способность для «эхолокации» при полетах в темноте. Женщины не зря боятся летучих мышей – густые, пышные женские волосы являются как бы «звуковой ямой» для звука, он от них не отражается. И обманутая летучая мышь может, не разобравшись, вцепиться в волосы.

Звуки с высокой частотой, свыше 20 000 Гц, называются ультразвуками. Они очень слабо рассеиваются, идут как бы «лучом» и поэтому очень удобны для локации. По этой причине не только летучие мыши, но и современные приборы – сонары, используют ультразвук для эхолокации, особенно в воде (рис. 108).

Ультразвук сейчас широко используется в технике и быту. Кто не знает ультразвуковые стиральные машинки – «таблетки» или «шарики» – они бережно стирают ткани, расходуя крайне мало энергии.

В медицине ультразвуком успешно «просвечивают» и тело человека, причем это «просвечивание» не опасно, как, например, рентген. Интересно, что ультразвуком можно «просветить» и огромные толщи металла – в 1 м и более, что совершенно недоступно для рентгена. Ультразвук свободно распространяется в металле и, отражаясь неоднородностями (пустотами, раковинами, трещинами), показывает это. На этом принципе устроены приборы – дефектоскопы, где сигналы ультразвука от излучателя и, проходя через металл, улавливаются щупом щ и передаются приемнику (рис. 109).

Ультразвук губительно действует на бактерии и даже на холоднокровных животных – мелкие рыбы и лягушки погибают при облучении ультразвуком за 1 – 2 минуты. Но для человека он неопасен, иначе бы «не просвечивали» им беременных женщин. Сейчас ультразвук делят на три диапазона: низкие частоты – до 10⁵ Гц; средние – до 10⁵ – 10⁷ Гц и высокие – до 10⁹ Гц. Упругие волны с частотами 10⁹ – 10¹³ Гц называют уже гиперзвуком. А чаще – просто не бывает, потому что эти волны по длине соответствуют уже межатомному расстоянию в твердых телах.

Что же бывает, когда частота звука меньше 16 Гц? Такие колебания называются инфразвуком. Прекрасно распространяясь в воде, инфразвуки помогают китам и другим морским животным ориентироваться в толще воды. Сотни километров – для инфразвука не помеха. Своеобразно воздействие инфразвука на человека. Как-то в театре для пьесы о временах Средневековья заказали знаменитому физику Р. Вуду (1868—1955) огромную органную трубу, кажется, в 40 м длиной. Чем длиннее труба, тем ниже звук она издает. Такая длинная труба должна была издать уже не слышимый человеческим ухом звук. Звуковая волна в 40 м длиной соответствует частоте около 8 Гц, это вдвое ниже нижнего предела слышимости по высоте. А когда попробовали на спектакле воспользоваться этой трубой, получился конфуз. Инфразвук такой частоты хотя и не был слышим, но близко подошел к так называемому альфа-ритму человеческого мозга (5 – 7 Гц) и вызвал у людей чувство страха и паники. Зрители разбежались, устроив давку. Вообще, эти частоты опасны для человека. Существует мнение, что ветер, отражаясь от длинных волн в океане, может породить инфразвук, губительно действующий на психику людей. Таким образом иногда объясняют таинственное исчезновение людей с кораблей в океане, в частности в Бермудском треугольнике. Впали, дескать, в панику и повыкидывались с кораблей…

Громкость или амплитуда звуковых колебаний – одна из главнейших характеристик звука. Громкость измеряют в децибелах, это в честь изобретателя телефона физика А. Г. Белла (1847—1922). Самый слабый звук, воспринимаемый нашим ухом, – около 10 дБ. Крик – 70 дБ. Сильнейший раскат грома – около 100 дБ, а свыше 130 дБ – уже воспринимается как боль в ушах. Что же это получается: тиканье наручных часов на расстоянии 1 м – 30 дБ, а в 4 раза громче – уже глохнешь?

Дело в том, что громкость звука здесь не пропорциональна децибелам. Как мы уже знаем, 10 дБ, или 1 Б (удивительно, зачем было вводить эти децибелы, когда просто в белах гораздо удобнее и короче?), – наиболее слабый звук, еще воспринимаемый нормальным слухом. Но за начало отсчета, или за 0 Б, принимается звук в 10 раз более слабый. Вдруг да кто-нибудь услышит! Звук в 2 Б, или 20 дБ, – уже не в 2, а в 100 раз более сильный, чем в 0 Б, и т. д. То есть числом бел измеряют порядок увеличения громкости звука. Звук в 10 Б (или 100 дБ) имеет громкость в 10¹⁰, или 10 миллиардов, раз более громкий, чем пороговый в 0 Б! Крик тети Сони из Одессы мы оцениваем в 7 Б (70 дБ), а вдвое больше – 14 Б (140 дБ) – это звук при запуске межконтинентальной ракеты, от которого можно оглохнуть. Так этот звук не в 2 раза, а в 10⁷, т. е. в 10 миллионов раз, более громок, чем крик тети Сони!

И всю эту уникальную «палитру» звуков – от 16 до 20 000 Гц, и от 1 Б до звуков в миллиарды раз более громких – воспринимает и передает в головной мозг наше ухо.

1 – барабанная перепонка; 2 – сочлененные косточки; 3 – овальное окно; 4 – основная мембрана

Ухо представляет собой сложный звукоприемный аппарат, работающий в чрезвычайно широком диапазоне частот и амплитуд. Звуковые волны достигают нашего наружного уха – его ушной раковины, которая представляет собой рупор, собирающий звуковые волны. По наружному слуховому проходу звуковые волны достигают барабанной перепонки 1 (рис. 110), отделяющей наружное ухо от среднего. Под влиянием приходящих волн эта перепонка колеблется, совершая вынужденные колебания с частотой воспринимаемого звука. Колебания барабанной перепонки через посредство действующей как рычаг системы сочлененных косточек 2 (молоточка, наковальни и стремечка) передаются так называемому овальному окну 3, закрывающему внутреннюю полость ушного лабиринта. Ушной лабиринт в той его части, где лежат чувствительные к механическому раздражению окончания слухового нерва, наполнен жидкостью – эндолимфой.

Внутри находится так называемая основная мембрана 4, состоящая из нескольких тысяч (около 4 500) волокон различной длины, настроенных каждое на некоторый определенный тон. Пришедшие во внутреннее ухо звуковые волны обуславливают колебания тех волокон основной мембраны, которые настроены на частоты, содержащиеся в этих волнах.

Из приведенного выше описания слухового восприятия становится понятным, почему наше ухо способно различать отдельные тоны в сложном звуке, например в музыкальном аккорде. Большое значение имеет то, что у нас не одно, а два одинаковых уха. Оценивая с помощью двух ушей силу звука, мы можем определить направление, по которому он до нас доходит. Когда же одно из наших ушей заткнуто, мы не можем точно определить, откуда к нам несутся звуки. Слушая двумя ушами, мы всегда можем повернуть голову так, что будем смотреть в направлении источника звука (рис. 111).

Но это не всегда просто сделать. Если звук раздается в месте, одинаково отстоящем от обоих ушей, направление источника звука может быть определено ошибочно.

В этом случае полезно не поворачивать сразу лица на шорох или звук, а, напротив, отвернуть его в сторону, направить на него таким образом одно из ушей. И по разности громкости звука в правом и левом ухе мы легко определим направление, откуда раздается звук. Мы иногда инстинктивно и делаем это, когда прислушиваемся.

Что радует музыкальный слух?

Сложность устройства уха определяет его огромные возможности восприятия звука не просто как сигнала определенной силы и частоты, а как эстетического фактора, а именно – музыки.

Иметь музыкальный слух дано далеко не всем. Автор сам, например, слышит настолько слабые звуки (наверное, даже 0 Б!), что это удивляет врачей, но в отношении музыкальности, ему, как говорят, медведь на ухо наступил. Тонкость, или чуткость, слуха и музыкальность – вещи разные.

Великий Бетховен, например, вообще был глухим. Он приставлял к роялю конец своей трости, а другой ее конец прижимал к зубам. И звук доходил до его внутреннего уха, которое было цело. Возьмите в зубы тикающие наручные часы и заткните себе уши – тиканье превратится в сильные, тяжелые удары, настолько оно усилится. Почти глухие люди разговаривают по телефону, прижимая трубку к височной кости. Глухие часто танцуют под музыку – звук проникает в их внутреннее ухо через пол и кости скелета. Вот такими извилистыми путями доходят звуки до слухового нерва человека, но «музыкальный слух» при этом остается.

Человеческий голос имеет весьма узкие границы частот колебаний: от 64 Гц – самая низкая басовая нота до 1 300 Гц – верхняя сопрановая нота. Рояль обеспечивает куда более широкие пределы: от 27,5 – нижняя «ля», до 4 096 Гц – верхнее «до». Но даже при одинаковой частоте звук голоса певца, например, отличается от звука голоса певицы, а они, в свою очередь, отличаются от звука кларнета, скрипки, рояля и т. д. В чем же дело, откуда это отличие?

«Окраска» голоса, своеобразие звука характеризуются тембром. «Чистый» тон графически изображается синусоидой, как и положено гармоническим колебаниям (рис. 112, а), а звук, например, трубы дает тоже периодический, но сложный по форме график (рис. 112, б). Как же получается такой звук?

При помощи специальных анализаторов звука было установлено, что всякий сложный музыкальный звук состоит из ряда простых, или чистых, тонов, частоты колебаний которых относятся как 1: 2: 3: 4 и т. д. Наиболее низкий звук называется основным, а все остальные, более высокие (вдвое, втрое, вчетверо и т. д.), тона называются высшими тонами, или обертонами. Так вот, сложение всех этих тонов дает сложный тон того или иного музыкального инструмента. Например, скрипка дает сложный тон, изображенный графиком а на рис. 113, основной тон – графиком б; видно, что частота та же, что и у сложного тона; на графиках в и г представлены два основных обертона скрипки. А сумма звуков по графикам б, в и г дает сложный тон по графику а. Шум отличается от музыкальных звуков тем, что он не имеет определенной частоты колебаний, а следовательно, и высоты тона.

Вот от чего, оказывается, зависит своеобразие, прелесть и красота звуков различных голосов и музыкальных инструментов.

Духовые инструменты (труба, саксофон, кларнет) издают достаточно громкие звуки, вызываемые колебанием столба воздуха в инструменте. Чем этот столб длиннее, тем звук ниже. Самый большой духовой инструмент – орган. Воздух для его звучания подается в трубы от специального насоса. Число труб в органе может достигать десятков тысяч, а мощь его звучания будет равносильной десяткам духовых оркестров.

Духовые инструменты для повышения громкости звучания снабжаются раструбом-рупором – этакой воронкой для усиления звука. У струнных инструментов роль рупора выполняет резонатор. Резонатор – это емкость или ящик с воздухом, наименьшая длина которого равна четверти длины звуковой волны, которую хотят усилить (рис. 114). Допустим, при частоте 330 Гц длина волны равна скорости звука в воздухе 330 м/с, деленной на частоту в герцах, или 1 м. Следовательно, минимальная длина ящика резонатора должна быть 0,25 м. В струнных инструментах (скрипках, гитарах, роялях) резонаторы сложной формы, так как усиливать они должны звуки различной частоты. Резонаторы имеются и у живых существ. Лягушки, например, раздувают пузыри – ушные или зобные – для усиления кваканья. У человека есть рот и гортань, выполняющие роль резонатора и рупора. Для пения каждого звука необходимо особое положение губ, языка и формы резонатора полости во рту. Резонанс сильных колебаний может даже разрушить резонатор.

Ветер или солдаты, шагающие в ногу, могут разрушить мост, если собственная его частота совпадает с возмущающей силой, что вызывает резонанс. Такие случаи бывали. Например, в 1940 г. обрушился мост Тэйкома в США от автоколебаний, вызванных ветром. Проходя по мостам, солдаты получают приказ идти не в ногу, чтобы не вызвать его резонанс.

Говорят, Шаляпин мог запеть так, что лопались плафоны в люстрах. Это не легенда. Допустим, мы знаем частоту собственных колебаний стеклянного сосуда, например стакана. Это можно установить по высоте тона звона этого стакана после легкого щелчка по нему. И если мы громко запоем эту ноту близ стакана, то, как Шаляпин, сможем расколоть стакан своим пением. Только петь надо так же громко, как Шаляпин.

Есть еще интересный опыт по резонансу в музыкальных инструментах, например в фортепиано. Откройте фортепиано, нажмите на правую педаль, освободив струны, и пропойте какую-нибудь ноту в его полость. Когда вы закончите петь, вы услышите, что фортепиано «подпевает» вам своими струнами.

Или если связать толстой металлической проволокой два фортепиано в разных комнатах и играть на одном из них, то второе (с нажатой педалью!) будет играть ту же мелодию само собой, без пианиста.

Вот как возникают звуки – музыкальные и не очень. Но звук не вечен – возник и пропал. Можно ли его сохранить «впрок», записать? И как это сделать? Сейчас существует множество звукозаписывающих устройств и аппаратов, в основном электронных. Но впервые звук был записан механическим способом.

Возможность записывать звуки и затем воспроизводить их была открыта еще в 1877 г. великим американским изобретателем Т. А. Эдисоном (1847—1931). Звукозапись быстро вошла в нашу жизнь. Благодаря возможности записывать и воспроизводить звуки появилось звуковое кино. Запись музыкальных произведений, докладов, рассказов и даже целых пьес на граммофонные или патефонные пластинки стала массовой формой звукозаписи.

1 – тонкая упругая пластинка; 2 – рупор; 3 – вращающийся диск; 4 – резец

На рис. 115 дана упрощенная схема механического звукозаписывающего устройства. Звуковые волны от источника (певца, оркестра и т. д.) попадают в рупор 2, в котором закреплена тонкая упругая пластинка 1, называемая мембраной. Под действием этих волн мембрана колеблется. Колебания мембраны передаются связанному с ней резцу 4, острие которого чертит при этом на вращающемся диске 3 звуковую бороздку. Звуковая бороздка закручивается по спирали от края диска к его центру. На рисунке внизу показан вид звуковых бороздок на пластинке (через лупу бороздки видны совершенно отчетливо).

Диск, на котором производится звукозапись, изготовляется из специального мягкого материала; обычно это восковой сплав, состоящий из ряда минеральных, растительных и животных восков, а также других органических веществ. С этого воскового диска снимают гальванопластическим способом медную копию (клише), с которой затем делают оттиски на дисках, изготовленных из особых материалов. Так получаются граммофонные пластинки.

При воспроизведении звука граммофонную пластинку ставят под иглу, связанную с мембраной граммофона, и приводят ее во вращение. Двигаясь по волнистой бороздке пластинки, конец иглы колеблется, вместе с ним и мембрана, причем эти колебания довольно точно воспроизводят записанный звук.

Магнитная запись звука сменила механическую, и казалось, к ней нет возврата. Но этот возврат состоялся, правда, уже на новом уровне. Вместо иглы звуки на диске записывает луч лазера. Диск получается намного компактнее, прочнее, качество записи выше.

Действительно, новое – это хорошо забытое старое; техника, как и многое другое, развивается «по спирали». Старое повторяется, но уже на новом уровне!

Звуковые курьезы

Теперь, когда мы знаем, как извлекаются и записываются звуки, поговорим, в каких помещениях это лучше всего делать. Ведь концертные залы и театры бывают как с хорошей, так и с плохой акустикой. В одних помещениях игра музыкальных инструментов и голоса певцов слышны и различимы даже на большом расстоянии, а в других и вблизи сливаются. Вот что писал об акустике помещений знаменитый американский физик Р. Вуд (тот самый, который построил инфразвуковую трубу):

«Любой звук, произведенный в здании, довольно долго раздается по окончании звучания источника; вследствие многократных отражений он несколько раз обходит кругом здания, а тем временем раздаются другие звуки, и слушатель часто не в состоянии уловить их в надлежащем порядке и в них разобраться. Так, например, если звук длится 3 секунды, и оратор говорит со скоростью 3 слога в секунду, то звуковые волны, соответствующие 9 слогам, будут двигаться по комнате все вместе и создадут полную неразбериху и шум, из-за которого слушатель не сможет понимать оратора.

Оказавшемуся в таких условиях оратору остается говорить очень разборчиво и не слишком громко. Но обычно ораторы как раз наоборот стараются говорить громко и этим только усиливают шум».

Помещения с гладкими стенками, полом и потолком обладают свойством очень хорошо отражать звуковые волны. В таком помещении благодаря набеганию предшествующих звуковых волн на последующие получается перемешивание звуков, образуется гул: звук в помещении не сразу исчезает вместе с прекращением действия его источника.

Акустика помещения характеризуется так называемым временем реверберации – временем угасания звука до неслышимого предела. Реверберация зависит, с одной стороны, от объема помещения, а с другой – от его формы и материала стен, потолка и пола.

Помещения с мягкой обивкой стен, коврами, драпировками, мягкой мебелью, а также наполненные людьми слабее отражают звуковые волны; в значительной степени звуки поглощаются мягкой средой, а потому и реверберация их гораздо меньше.

Но слишком уменьшать реверберацию тоже не стоит, так как звуки тогда быстро гаснут и не имеют достаточной громкости и яркости. Певцы и музыканты знают, как трудно петь и играть в небольших комнатах, переполненных мягкой мебелью, драпировками, коврами.

В одном из лучших в акустическом отношении зале – в Колонном зале Дома союзов в Москве – время реверберации около 1,75 секунды, когда он наполнен публикой, и около 4 секунд – в пустом.

Немалую роль в акустике помещений играет интерференция звука, о которой мы еще поговорим.

Отражение звука мы все хорошо знаем по слову «эхо». Эхо – это возвращение отраженных звуковых волн назад к источнику звука. Иногда отражение происходит несколько раз, тогда эхо становится многократным. Есть эхо, повторяющее выстрел 40—50 раз, а громкое слово – примерно 30 раз. В России имеется много мест, где слышно эхо. Если есть равнина, окруженная лесом, значит, с большой вероятностью есть и эхо. Стоит громко крикнуть или хлопнуть в ладоши на поляне, как звук, отразившись от кромки леса, вернется назад. В горах это встречается реже, зато бывает разнообразнее. На рис. 116 показана схема возникновения эха в случаях, когда препятствие выше источника звука, а на рис. 117 – на одном уровне и даже ниже его. Штриховыми линиями показан ход падающих и отраженных звуковых волн. Видно, что во втором случае эхо гораздо вероятнее.

Чтобы самому найти эхо, не надо слишком приближаться к препятствию, иначе прямой и отраженный звуки просто сольются и продлят друг друга (это и называется реверберацией). Если мы находимся на расстоянии 160—170 м от препятствия, то эхо вернется через секунду. Лучше всего эхо отзывается на хлопанье в ладоши. Годятся и резко произнесенные слова, особенно высоким женским или детским голосом.

Таким образом, лес, высокий забор, гора, дом, другие преграды, отражающие эхо, являются самыми настоящими «зеркалами» для звука. Ибо они отражают звук совсем как зеркало свет. А если это зеркало вогнутое, как рефлектор, тогда как? Неужели звук, как и свет, сойдется в фокусе? Да, это так и произойдет; этим свойством звука пользовались, например, строители средневековых замков, где часто устраивали так называемые «звуковые зеркала» – вогнутые потолки или стены наподобие световых рефлекторов. В фокусах таких зеркал помещались «говорящие» статуи. «Звуковые зеркала» усиливают любые звуки, и посетителям кажется, что статуи разговаривают. Иногда в стенах устраивают полости – трубы, которые дают возможность услышать шепот в противоположном конце зала, – где звук усиливается звуковым зеркалом. На старинном рисунке (книга 1560 г. издания) показаны некоторые из этих хитростей – «звуковые зеркала», трубы, «говорящие статуи» (рис. 118).

В Новоафонском Пантелеймоновском монастыре автор сам наблюдал, как шепот передавался к противоположной стене огромного зала с выпуклым потолком – звуковым зеркалом. Вот такие «подслушивающие» устройства были уже тогда, когда не существовало электроники.

Отражение звуковых волн используется в простейших устройствах для усиления звука – рупорах (рис. 119). Как мы знаем, рупоры есть и на духовых инструментах, были и на граммофонах (портативные граммофоны иногда назывались патефонами – от фирмы Патэ, их производившей). Отражаясь от стенок рупора, звук усиливается в направлении от узкой части рупора к широкой.

В принципе существуют и звуковые линзы, преломляющие звук. Рассуждая так, по аналогии со светом мы можем построить и звуковой микроскоп, и звуковой телескоп… Но звуковые линзы – надутые оболочки, мячи, подушки и т. д. – слишком грубы, чтобы служить приборами.

Очень интересное явление, которое свойственно всем волновым процессам, называется интерференцией. Если звуки одинаковых частот, изображенные на рис. 120 синусоидами – сплошной и штриховой, наложить друг на друга, то амплитуда суммарных колебаний может как удвоиться (рис. 120, а), так и стать равной нулю (рис. 120, б): звук исчезнет. Все зависит от того, складываются ли звуки без разности по фазе или в противофазе.

Как-то не верится, что если сложить звуки двух ревущих авиадвигателей, то можем получить абсолютную тишину. Что ж, проверим. Только для этого нам не придется идти на аэродром и просить там пилотов запустить двигатели у самолетов. Возьмем две телефонные трубки и запитаем их током от одного источника частотой около 1 000 Гц. Трубки будут гудеть одинаковым тоном, которой должен быть достаточным по громкости. Расположим эти трубки на расстоянии 1,5 м друг от друга. Станем на расстоянии 5 – 6 м от трубок, зажмем одно ухо пальцем и, медленно перемещая голову, обнаружим в пространстве зоны, где трубки ревут с удвоенной громкостью и где они почти замолкают. Расстояние между этими зонами около 1 м. Своими перемещениями уха мы нашли как такую точку, где звуки были в одной фазе и сложились по громкости, так и такую, где они оказались в противофазе и исчезли. Конечно, для реального «аннулирования» рева двигателей наши действия должны быть посложнее.

И еще один интересный эффект, связанный со звуком, как впрочем и со светом как явлением волновым.

Не надо, наверное, обладать музыкальным слухом, чтобы заметить, как изменяется тон, высота звука, гудка локомотива, когда встречный поезд проносится мимо вас. Пока оба поезда сближаются, тон был намного выше, чем после встречи, когда поезда начали удаляться друг от друга. Отчего же это происходит?

Гудок встречного локомотива издает все время один и тот же звук вполне определенной частоты. Но ухо воспринимает различное число колебаний в секунду, в зависимости от того, двигаетесь ли вы навстречу гудку или удаляетесь от него. Двигаясь навстречу, вы за секунду улавливаете больше колебаний, так как источник звука сам движется вам навстречу. Звук кажется вам выше.

И все происходит наоборот, если вы удаляетесь от источника звука – тогда звук кажется вам ниже по тону. Такой эффект кажущегося изменения частоты называется эффектом Доплера, по имени австрийского физика К. Доплера (1803—1853).

Известно, что изменение частоты у световых волн приводит к изменению цвета – чем выше частота, тем ближе к фиолетовому и дальше от красного будет цвет. Стало быть, при движении навстречу источнику света красный цвет изменится на желтый, а возможно, на зеленый, синий и фиолетовый.

Этого вопроса мы еще коснемся, когда будем говорить о свете и цвете. Просто автор, забегая вперед, упомянул об эффекте Доплера касательно света для того, чтобы рассказать об анекдотичном случае, происшедшем с уже известным нам Робертом Вудом.

Однажды полицейский остановил автомобиль Вуда за езду на красный свет светофора. Вуд же, пытаясь оправдаться, рассказал полицейскому, что при движении навстречу источнику красного цвета из-за эффекта Доплера этот цвет вполне мог показаться ему зеленым. Но полицейский все-таки оштрафовал Вуда, не за езду на красный свет, а… за превышение дозволенной скорости. Еще бы – для того, чтобы принять красный свет за зеленый, Вуд на своем автомобиле должен был мчаться навстречу светофору с фантастической скоростью в 135 млн км/ч!

Но шутка-шуткой, а ведь именно эффект Доплера позволил ученым на основании наблюдаемого «красного смещения» сделать вывод о расширении Вселенной и о том, что когда-то она была сжата «в точку».

О чем спорили Исаак Ньютон с Христианом Гюйгенсом?

А заспорили они о том, что же такое свет? Древние ученые очень уж мистически его представляли себе. Считалось, что из глаз человека, животных и других существ выходят особые тонкие щупальца и при ощупывании ими предметов глаз их видит. Ну до этого только ученые и могли додуматься! Во-первых, как быть с «ощупыванием» далеких и горячих предметов? Как этим щупальцам дотянуться, например, до Солнца? Да и сгорят они там, из чего бы ни были сделаны.

Или если покажут что-нибудь интересненькое, то каждый свои щупальца туда и потянет. Перепутаются они там, да и мест для ощупывания на этом «интересненьком» не хватит, если смотрит на это много народа.

Более правдоподобную гипотезу о природе света выдвинул 2 500 лет назад греческий математик Пифагор (тот, чьи «штаны во все стороны равны»). Он считал, что каждый предмет постоянно испускает во все стороны потоки мелких частиц, которые, попадая в глаза, вызывают ощущения либо света, либо очертаний предметов.

Но по-настоящему научный спор возник в XVII в. между так называемой корпускулярной и волновой теориями природы света. Первая связана с именем Исаака Ньютона, а вторая – Христиана Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц (или по латыни «корпускул»), идущих от источника света во все стороны. Почти как в хорошо забытой теории Пифагора. Ясно, что это связано с переносом вещества, т. е. частиц, которые, как пули из пулемета, постоянно разлетаются от светящегося предмета, и если на их пути попадается глаз, то последний ощущает эти частицы как свет.

Согласно же представлениям Гюйгенса свет – это поток волн, распределяющихся в неведомой, гипотетической среде – эфире (не путать с сильно пахнущей легкой жидкостью, которую используют для наркоза!), заполняющем все и вся вокруг. Этот эфир проникает и внутрь предметов – воздуха, стекла, воды, и, уж безусловно, он заполняет все громадное космическое пространство между звездами, планетами и прочими небесными телами. Ибо свет идет и в воздухе, и в прозрачных телах, и в космическом пространстве. Представить себе волны без упругой среды, в которой эти волны могли бы распространяться в виде механических колебаний, Гюйгенс в то время, конечно же, не мог.

Такое действие, когда само вещество не переносится, а изменяется состояние среды между телами (того же эфира), и называют в науке волновым процессом.

Обе эти теории или гипотезы существовали параллельно, и ни одна из них не могла одержать решающей победы. Ситуация, как говорят, была патовая. Известные в то время из опыта законы распространения света с большим или меньшим успехом объяснялись обеими теориями.

Но Ньютон, как самый большой авторитет в науке, сумел-таки склонить большинство ученых на свою сторону. Еще бы – открытый им закон инерции прекрасно объяснял прямолинейный полет «световых» частиц движением их по инерции. Отражение света от зеркал вполне соответствовало отскоку упругих шаров при их ударе о плоскость. Но Ньютон никак не мог объяснить, почему эти частицы не сталкиваются в пространстве, если световые пучки пересекаются. При такой плотности «стрельбы» частицами, они нет-нет да и столкнутся, отскочат в сторону, рассеются. Но этого не происходило.

Волновая же теория прекрасно объясняла этот факт. Волны, хотя бы на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, дающее резкие, четко очерченные тени, трудно объяснить волновой теорией. А корпускулярная объясняла это прямолинейным полетом частиц по инерции.

И, как люди деликатные, Ньютон и Гюйгенс где-то уступали друг другу. Интерференцию света, которую сам же Ньютон получил в своих опытах с линзами, можно было объяснить только волновой теорией. Но Ньютон «допустил» существование и волновой теории, отдавая предпочтение все-таки корпускулярной. Ну а Гюйгенс «допустил», что волны в его теории излучаются не непрерывно, а импульсами, порциями. Вроде как частицы, но частицы все-таки волн. Вообще, эти ученые выражались очень осторожно, особенно Ньютон.

Вот вам «образчик» его «принципиального» признания «телесности» (корпускулярности) природы света: «Справедливо, что я заключаю из моей теории о телесности света, но я делаю это безо всякой абсолютной определенности…»

Да, сэр Исаак Ньютон был настоящим джентльменом, ничего не скажешь!

Такое неопределенное, двойственное положение в воззрениях на природу света длилось до XIX в., когда, казалось бы, неопровержимые данные по теории волновых процессов, заставили ученых того времени признать, что свет ведет себя как волна. Особенно постарался в этом шотландский ученый – сторонник Гюйгенса, великий физик Дж. К. Максвелл (1831—1879). Он неопровержимо доказал, что свет – это электромагнитные колебания, которые, кстати, прекрасно распространяются и в пустоте, так что никакого «эфира» и не понадобится. К концу XIX в. у физиков не осталось ни тени сомнения, что свет – это волновой процесс, и свой спор Ньютон проиграл Гюйгенсу.

Но… наука все время будет повторять и повторять это «но», не отдавая явного предпочтения ни одному «окончательному», «бесповоротному» мнению. Итак, к самому концу XIX в., когда сторонники электромагнитной волновой теории света праздновали, казалось бы, окончательную победу, их торжество смутили некоторые, на первый взгляд, незначительные сомнения, «легкие облака» на горизонте волновой физики.

Сомнения эти были вызваны изобретением фотографии, или способности света расщеплять молекулы солей серебра, а также фотоэффекта – способности света «вырывать» из металла особые неведомые тогда частицы – электроны. А далее были сделаны и новые открытия, которые превратили «легкие облака» в грозовые тучи, смешавшие все, казалось бы, незыблемые представления о природе света.

Смертельный удар по электромагнитной волновой теории света нанесла в самом конце XIX в. так называемая «ультрафиолетовая катастрофа». Дело в том, что согласно этой теории любое тело должно постоянно излучать в пространство волновую энергию, а следовательно, терять ее и охлаждаться. Причем вплоть до абсолютного нуля. А так как излучаются все частоты, включая очень энергоемкие – ультрафиолетовые, то и катастрофа «глобального» охлаждения всех тел была названа «ультрафиолетовой».

Но если этого в природе не происходит, то, следовательно, волновая электромагнитная природа света бессмысленна. Выход из «ультрафиолетового» тупика был найден немецким физиком Максом Планком (1858—1942). Он предположил, что энергия электромагнитного излучения выделяется не непрерывно, а порциями, называемыми квантами (вспомним старого «хорошо забытого» Гюйгенса!). И оказалось, что при больших частотах (т. е. хотя бы для того же ультрафиолетового диапазона) эти кванты настолько велики, и на их создание затрачивается такая большая энергия, что на излучение ее уже и не хватает. Вывод Планка был таков – при больших частотах энергия излучения практически равна нулю, и никакая «ультрафиолетовая катастрофа» нам не угрожает.

Квантовая гипотеза прекрасно объясняла и явление фотоэффекта и химического действия света, в том числе и фотосинтез, которому мы обязаны жизнью на Земле, и многое другое. Но оказалось, что эта гипотеза не отбросила волновую гипотезу, а прекрасно с ней сжилась. Полученный «симбиоз» двух гипотез объяснял уже все свойства электромагнитного излучения, в том числе и света.

А практически получилось следующее:

– при распространении свет ведет себя скорее как волна, а при возникновении и поглощении – скорее как частица;

– при больших частотах главную роль играют квантовые («корпускулярные») свойства света, а при малых – волновые.

Вот такой «двуликий Янус» получается! Время примирило соперников и сделало правыми и Ньютона, и Гюйгенса. И даже древнего Пифагора, который тоже, оказывается, был прав. Одним словом, история науки показывает, что все, кто работали, создавали теории, экспериментировали, спорили, ломали копья, кого возвеличивали и кого опровергали, «сбрасывали с пьедестала», все оказались правыми. Всем нашлось место в нашей памяти, в учебниках, в энциклопедиях и справочниках. Не нашлось и не найдется там места лишь тем, кто «жалел» себя и ничего не делал. Такова жизнь!

Как мы смотрим на мир?

Разговаривая о свете, мы просто обязаны знать, как видят глаза. Иначе мы, чего доброго, будем, как древние, думать, что из глаз исходят тонкие щупальца, ощупывающие все вокруг.

Примитивный глаз, так называемый сложный, или фасеточный, характерен для насекомых и ракообразных. Состоит такой глаз из множества отдельных «глазков» – фасеток, покрывающих выпуклый сложный глаз насекомого. Такие глаза хорошо видят широко вокруг, особенно движение, но нечетко. По сравнению с головой насекомого, например, мухи, глаза эти очень велики, они занимают большую часть «лица» мухи.

Простейшие животные, не имеющие специального органа зрения, если и «видят» свет, то просто ощущают его кожей. Также кожей ощущают свет и слепые. Скорее всего, они чувствуют тепло, приносимое светом.

Когда говорят об эволюции видов и учении Дарвина, вопрос о глазе животных встает в первую очередь. Как фасеточный глаз мог путем эволюции превратиться в принципиально новый «прибор» – глаз высокоразвитых животных и человека? Рассмотрение устройства и принципа работы такого глаза показывает, что этого быть не могло.

Чтобы понять работу глаза, рассмотрим сперва, как свет проходит через стеклянную, да и вообще прозрачную призму (рис. 121). Допустим, какой-нибудь одноцветный пучок света DЕ падает на грань призмы АВ. При переходе из одной прозрачной среды (воздуха) в другую (стекло) луч преломляется, и угол δ, на который он отклонился, зависит от так называемого коэффициента преломления, в данном случае стекла. В стекле луч идет по направлению ЕF, а по выходу из него снова преломляется и идет по направлению FG. Если мы возьмем равнобедренную призму (рис. 122, а) и пошлем лучи света перпендикулярно грани АВ, то они по законам преломления света полностью отразятся от грани АС и выйдут наружу совсем так, как если бы вместо грани АС было зеркало. Если же мы поставим призму так, как изображено на рис. 122 б, то лучи света, отразившись от грани АС, поменяются местами – нижний луч 3 уже станет верхним, а верхний 1 – нижним. Эта последняя призма называется оборотной.

Так можно перевернуть изображение «вверх ногами». Запомните это свойство оборотной призмы, оно нам еще пригодится. А теперь, узнав о свойствах призм, перейдем к линзам (это слово в переводе с немецкого означает «чечевица», которая очень похожа на выпуклую линзу). Они бывают выпуклыми, или собирающими (рис. 123, а), и вогнутыми, или рассеивающими (рис. 123, б). Рассматривая ход лучей в линзах, как бы состоящих из совокупности призм, получаем, что в собирающей линзе параллельные лучи «соберутся» в фокусе F, а в рассеивающей – «рассеются» так, как будто этот фокус F расположен по другую сторону линзы (мнимый фокус). Обратная величина фокусному расстоянию (от фокуса до центра линзы) называется оптической силой и выражается в диоптриях. Если фокусное расстояние наших очковых линз, например, 0,1 м, то их сила равна 1/0,1 = 10 диоптрий.

Если какой-нибудь предмет АВ (рис. 124) находится достаточно далеко от линзы, то, построив ход лучей от точек А и В, мы получим по другую сторону линзы перевернутое его изображение А1В1. При этом размеры изображения А1В1 во столько раз больше (или меньше) размеров предмета АВ, во сколько расстояние от линзы изображения больше (или меньше) расстояния от нее предмета. Иными словами, размеры пропорциональны расстояниям от линзы. На рисунке изображение А1В1 ближе к линзе, чем предмет АВ, потому оно и пропорционально уменьшено по сравнению с последним.

А теперь перейдем к человеческому глазу (рис. 125). Внешняя оболочка глазного яблока – склеротика S, передняя прозрачная часть которой С носит название роговой оболочки. Внутренняя сторона склеротики покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов. В передней части сосудистая оболочка переходит в радужную оболочку i, посередине которой находится круглое отверстие – зрачок р.

Внутри глаза на сосудистой оболочке находится сетчатая оболочка r, представляющая собой разветвление зрительного нерва с нервными окончаниями в виде палочек и колбочек.

Во внутренней полости глаза, сзади радужной оболочки, находится прозрачное хрящевидное тело L – хрусталик. Хрусталик с помощью особых мускулов может изменять свою кривизну. Против хрусталика на сетчатке находится желтое пятно g, обладающее наибольшей чувствительностью к свету.

При помощи мышц глаз устанавливается так, что изображение предмета попадает на желтое пятно. Пространство между роговой оболочкой и хрусталиком наполнено бесцветной жидкостью – водянистой влагой. Остальную часть глаза между хрусталиком и сетчаткой заполняет студнеобразное стекловидное тело. Показатель преломления этих двух сред примерно 1,33, показатель преломления хрусталика около 1,5. Преломляющая система глаза в целом может быть рассматриваема как двояковыпуклая линза со средним фокусным расстоянием 1,7 см, или оптической силой около 60 диоптрий. Это сильнейшее «увеличительное стекло». Очки в 10 диоптрий мы считаем сильными, а тут 60!

Здесь не мешало бы спросить себя, а не вверх ли ногами расположен весь окружающий мир, если мы его видим правильно? Ведь изображение на сетчатке-то перевернутое! Вот интересный опыт, который, если захотите, можете провести и вы.

Ученые изготовили очки, в которые вместо стекол вставили по две оборотные призмы (их можно вынуть из полевого бинокля). И человек, надевший эти очки, стал все видеть «вверх ногами». Сначала ему было страшно ходить, потом он привык, а к концу недели ему стало казаться, что он видит все правильно. Еще какое-то время человек продолжал носить эти очки, чтобы совсем привыкнуть. И когда он снял очки-перевертыши, то весь мир стал ему казаться перевернутым «вверх ногами». Новорожденный тоже видит мир таким, а потом на опыте убеждается, что действительно все наоборот, и привыкает. Очки-перевертыши позволяют нам видеть мир таким, каким его видит младенец.

Когда зрение нормальное, т. е. глаз имеет примерно 60 диоптрий, то лучше всего человек видит на расстоянии 0,25 м. Но существуют глаза с оптической силой и больше, и меньше этой величины, что соответственно означает близорукие или дальнозоркие глаза.

Лучи света, идущие от какого-нибудь отдаленного предмета, в близоруком глазу сходятся не на сетчатке, а ближе нее в точке D (рис. 126, а), поэтому близорукие люди смутно видят отдаленные предметы. Близорукость может быть исправлена ношением вогнутых очков.

Оптическая сила дальнозоркого глаза меньше нормального, вследствие чего лучи, идущие от сравнительно близких предметов, сходятся за сетчаткой в точке В (рис. 126, б). Исправить этот недостаток можно ношением выпуклых очков.

Первые упоминания об очках относятся к 1280 г., когда итальянский физик Сальвино делла Армати изготовил первые очки из двух линз. Некоторые считают, что первые очки в Европе изобрел в XIII в. Роджер Бэкон, английский монах и философ.

Но люди знали о линзах, исправляющих зрение, еще в античном мире. Тогда уже прекрасно полировали драгоценные камни и не могли не заметить свойств прозрачных камней с выпуклой или вогнутой поверхностью. Известно, что сумасбродный римский император Нерон был близорук и для улучшения зрения приставлял к глазу полированный изумруд, по-видимому, выполненный в виде рассеивающей линзы. А в гробнице фараона Тутанхамона найдены очки с темно-коричневыми стеклами в бронзовой оправе, по-видимому, солнцезащитные. Им 3 300 лет.

А зачем человеку два глаза? Может быть, хватило бы и одного? Кутузов, Нельсон, Потемкин и многие другие славные люди лишились одного глаза, но тем не менее видели вроде бы нормально. Да, острота зрения у них могла быть и высокой, но они видели мир… плоским.

Когда предмет рассматривается обоими глазами, то на сетчатке каждого из них получается изображение этого предмета. Тем не менее когда изображения попадают на соответствующие места сетчатки, то мы не видим предметов двойными. В этом случае два впечатления сливаются в одно.

Рассматривая предмет обоими глазами, мы ощущаем три измерения: ширину, высоту и глубину, и ясно отличаем более близкие предметы от удаленных. При зрении одним глазом восприятие трехмерного пространства значительно ослабляется. Зрение двумя глазами позволяет нам также судить о величине предмета и его удаленности от глаза.

Рассматривая предмет двумя глазами, мы сводим линии зрения то на более близкие, то на более удаленные точки предмета. При этом глазные мышцы испытывают различные напряжения. По степени этих мышечных напряжений мы на основании жизненного опыта и судим об удаленности от нас предмета.

И мир приобретает свой объем, он воспринимается нами в так называемом стереоскопическом изображении.

С одним глазом – лучше!

Итак, обычный человек смотрит двумя глазами, у него, как говорят, бинокулярное зрение. Между тем одним глазом человек видит лучше, острее. Даже монах и философ XIII в. Р. Бэкон писал: «Мы видим одним глазом лучше, чем двумя, потому, что жизненные духи сосредотачиваются при этом в одном месте». В то же время не зря у нас, да и не только у нас, а почти у всех животных (кроме камбал «в возрасте», у которых «нижний» глаз не функционирует) по два глаза. Мы знаем, что это для «объемного», стереоскопического зрения. А всегда ли два глаза лучше, чем один? Оказывается, не всегда.

В первую очередь это касается рассматривания фотографий. Ведь фотографии делались с помощью одного, причем «стеклянного» глаза – фотоаппарата. Значит, и рассматривать их надо тоже одним глазом; тогда мы получим реальное зрительное впечатление. Если же смотреть двумя глазами, то мы как бы обманываем свой мозг. Он-то «знает», что при бинокулярном зрении изображения в правом и левом глазу разные и эта «разность» дает объем изображению. А тут – в обоих глазах одна и та же картина. Значит, она в действительности плоская, решает мозг.

Но, даже рассматривая фотографию одним глазом, мы должны держать ее на соответствующем расстоянии от глаза. Рассматривать ее надо под тем же углом зрения, под каким фотоаппарат сам «видел» ее. Это касается фотографий, полученных непосредственно без увеличения, например камерами «Полароид». Тогда мы должны держать фотографию перед глазом на расстоянии, равном фокусному расстоянию фотокамеры. А это очень мало – несколько сантиметров. Только очень близорукие люди и маленькие дети могут рассмотреть фотографию со столь близкого расстояния. Они-то и увидят настоящую, «живую», рельефную картину! Что же делать людям с нормальным зрением? Да просто взять лупу и рассмотреть фотографию с увеличением во столько раз, во сколько раз расстояние ее от глаза больше фокусного расстояния камеры. Это легко получается передвиганием лупы между фотографией и глазом: на каком-то расстоянии фотография «заиграет», вы увидите ее объемной. Обязательно сделайте этот опыт, и вы поймете, как надо правильно рассматривать фотографии!

Такого же эффекта мы добиваемся, когда рассматриваем слайды через лупу на просвет. Вы заметили, наверное, сколь велика разница между слайдом, рассматриваемым простым глазом и через специальный аппарат с лупой.

Можно ли добиться такого же эффекта без лупы, глядя на фотографию (конечно же, одним глазом!) с приемлемого расстояния, например, на выставке? Оказывается, можно. Для этого нужно, чтобы фокусное расстояние камеры было 25—30 см, т. е. оно было бы равно нормальному расстоянию рассматривания. Поэтому в фотоателье до сих пор используют для художественных фотографий такие длиннофокусные фотокамеры. Они крупны, неудобны, но дают «живые» фотографии.

Почти тот же эффект дает увеличение негативов в фотоувеличителе. Например, если фокусное расстояние камеры около 4 см, то, чтобы рассматривать фотографию с нормального расстояния, нужно увеличить ее примерно в 8 раз, что, впрочем, обычно и делается. Большие фотографии с увеличением в 20 и более раз нужно и рассматривать с большего расстояния, что и делается на выставках. Кстати, с большого расстояния фотографии можно рассматривать уже двумя глазами. Особенность зрения такова, что с увеличением расстояния две одинаковые картины в правом и левом глазу уже не дают плоского изображения.

А как же быть, когда увеличение уж очень велико? Например, в кинотеатре. Автора с детства поражало то, что в театрах зрители стремились занять передние ряды, а в кино – задние. Да и цены были соответствующие – в театрах дороже всегда передние ряды, а в кино – эти ряды были самыми дешевыми. Автор же все равно пытался сесть в кино в первый ряд, если даже билет был на ряд подальше. С первого ряда изображения на экране казались живыми, как будто в стереокино. Здесь срабатывал «эффект лупы» при рассматривании фотографий.

А на каком расстоянии от экрана надо садиться, чтобы видеть изображение нормально, как в жизни? Для определения этого расстояния надо бы знать фокусное расстояние камеры, которой снимали фильм. Тогда при ширине пленки в 24 мм мы должны сесть на расстоянии от экрана во столько раз большем, чем ширина изображения на экране, во сколько раз фокусное расстояние больше 24 мм. Обычно оно бывает от 1,5 до 4 раз больше ширины пленки. Значит, надо ширину изображения на экране увеличить от 1,5 до 4 раз. Если эта ширина, например, 5 м, то сесть лучше на расстоянии 7,5 – 20 м от экрана.

Ну а как же быть с фотографиями в иллюстрированных журналах? Ведь мы рассматриваем их, не зная ни фокусного расстояния камеры, которой эта фотография снималась, ни последующих увеличений при получении полиграфического изображения. Расстояние это лучше всего определять так. Один глаз нужно закрыть и, держа иллюстрацию на вытянутой руке, смотреть прямо в середину фотографии. Потом медленно приближать ее к глазу, улавливая момент, когда иллюстрация приобретет максимальную рельефность. На таком оптимальном расстоянии рассматривания вы уловите даже чисто стереоскопические эффекты, например прозрачность, блеск мокрой кожи, перспективу изображения и т. д. Если это не поможет, придется прибегать к помощи лупы – значит, изображение в журнале сделано непрофессионально.

А как же правильно рассматривать картины? Ведь здесь нет никакого фокусного расстояния или увеличения.

Совет тот же, что и с фотографиями: смотреть одним глазом, лучше через специальную трубочку или даже кулак с небольшой щелкой в нем (так часто делают сами художники). На рис. 129 приведена фотография автора, когда его засняли именно в момент рассматривания картины через щелку в кулаке. Многим была непонятна эта нелепая поза с кулаком у глаза, но вы уже знаете, что картины лучше всего рассматривать именно так!

Да и расстояние от картины должно быть таким, с какого предположительно художник и рисовал свою натуру. Или предполагал его, если рисовал по памяти. Интересно, что нередко уменьшенные фотографии с картин дают при рассматривании большую рельефность, чем сама картина. Теперь нам понятно, почему это происходит. Мы пытаемся рассматривать изображение с расстояния 25—30 см, а художник, возможно, рисовал натуру с расстояния в 10 раз большего. Так вот, если в это же число раз уменьшить изображение картины, то можно и рассматривать ее с удобного расстояния. Теперь вы видите, как непросто не только написать картину или сделать хорошую фотографию, но и правильно рассмотреть их!

Что дает второй глаз?

Природа не зря наделила человека и животных двумя глазами – они позволяют видеть объем, оценивать расстояния до предметов. А по фотографии, снятой с помощью одной фотокамеры, сделать этого нельзя.

Но существуют и продаются так называемые стереоскопические камеры, состоящие либо из двух фотокамер, либо одной камеры, но с двумя объективами, отстоящими друг от друга на какое-то расстояние, наподобие глаз человека. На таком аппарате получаются две фотографии, хоть и незначительно, но отличающиеся друг от друга,

так как сняты они были под разными углами (рис. 130, а). Рассматриваются такие парные фотографии с помощью специального прибора – стереоскопа. Совмещение двух фотографий в одну (рис. 130, б) в нем достигается с помощью системы зеркал или лучше с помощью выпуклых стеклянных призм, которые к тому же увеличивают изображение.

На верхней фотографии (см. рис. 130, а), где изображены графины и бокалы, намеренно большие из графинов отодвинуты назад, а меньшие – придвинуты вперед. Поэтому размеры их на фотографиях одинаковы. Бокалы же кажутся разными. Но если взглянуть на эти снимки через стереоскоп, то станет видно, что на самом деле графины, чем правее, тем больше, а бокалы – одинаковы.

На нижней фотографии обе вазы и обе свечи кажутся одинаковыми, причем свечи одинаковой высоты с часами. При рассматривании через стереоскоп видна громадная разница в размерах и ваз, и свечей. Эти предметы намеренно были размещены на разных расстояниях от камер.

Можно обойтись здесь и без специального прибора, своим естественным стереоскопом – глазами. Для этого надо пристально глядеть в середину промежутка между двумя фотографиями, причем смотреть нужно как бы на предмет, расположенный дальше фотографии. Если у вас зрение нормальное и, более того, если вы к тому же молоды, то изображение после кратковременного раздвоения сольется, и вы увидите стереоскопическую картину (см. рис. 130, б).

Для тренировки стереоскопического зрения на рис. 131 помещены фигуры все возрастающей сложности, с которыми нужно проделать то же самое.

Если почему-либо опыты с «естественным» стереоскопом не выходят, сделайте себе стереоскоп сами. Возьмите стекла от очков для дальнозорких («плюсовые») и закрепите их в оправе так, чтобы смотреть только через внутренние края стекол (т. е. межцентровое расстояние оправы должно быть очень большим для вас), а между изображениями поместите перегородку так, чтобы на правое изображение смотреть только правым глазом, а на левое – левым (рис. 132). Эффект будет достигнут!

Иногда хватает даже одной только перегородки, чтобы получить стереоскопическое изображение. Имея стереоскоп (хотя бы простейший), можно на опыте понять, что же такое блеск. Почему просто белая поверхность не кажется нам блестящей? Действительно, чем отличается матовая поверхность от блестящей, полированной? Тем, что матовая отражает свет во все стороны одинаково, а полированная – лишь в одном определенном направлении, в зависимости от направления падения света. Один глаз человека при этом получает больше отраженных лучей, чем второй. И мозг на основании опыта жизни подсказывает – вы смотрите на блестящий предмет!

А давайте перехитрим свой мозг и сделаем имитацию блестящего предмета, например драгоценного граненого камня на черном бархате. Поступим так, как учит нас знаменитый немецкий физик Герман фон Гельмгольц (1821—1894): «Когда на одной стереоскопической картине какая-нибудь плоскость изображена белой, а на другой – черной, то в соединенном изображении она кажется блестящей».

На рис. 133 изображены как раз две такие картинки. Взгляните на них через свой естественный стереоскоп, простейший (из очковых стекол с перегородкой) или настоящий прибор. Вы увидите блестящий драгоценный камень на фоне черного бархата!

С помощью стереоскопа можно обнаружить подделку документов или даже банкнот. Надо поместить на одну сторону настоящий, подлинный, образец, а на другую, – в котором сомневаетесь. При взгляде через стереоскоп даже малейшие отличия одного от другого будут выглядеть как сильные смещения вперед или назад неточно выполненных знака, точки или штриха.

И наконец, как усилить стереоскопический эффект? Ведь известно, что чем дальше от нас предмет, тем меньше угол зрения и тем более плоскостная картина предстает перед нами. Все светила кажутся нам на небе как бы на одном расстоянии, а тем не менее какая колоссальная разница между удалением от нас планет и звезд!

В обыкновенных земных условиях удаление на сотни метров лишает нас объемной картины, и все удаленное приобретает плоский вид. Слишком уж мало расстояние между глазами – каких-нибудь 5 – 6 см, по сравнению с сотнями метров.

А если наши глаза «раздвинуть»? Конечно, не в буквальном смысле слова, а с помощью приборов? На рис. 134 показан полевой бинокль и ход лучей в нем. Объективы там можно раздвинуть больше, чем окуляры, которые приставляются к глазам, стеклянные призмы позволяют сделать это. И картина в такой бинокль предстает нам не только приближенной, но и гораздо более рельефной.

Еще больший эффект получается с помощью специальной стереоскопической зрительной трубы, используемой, например, артиллеристами (рис. 135). В такую трубу предметы, удаленные даже на 25 км, кажутся объемными. И можно достаточно точно определить расстояние до предмета (например, цели) и перелет с недолетом снарядов при обстреле.

А какая сказочная картина предстает перед наблюдателем при взгляде в такой прибор! Все вокруг выпукло, рельефно, ощутимо, до всего так и хочется дотянуться и потрогать! Если у вас есть знакомые артиллеристы, обязательно попросите их дать вам посмотреть в такую трубу!

Можно ли видеть как рыба?

Сравнение с рыбой в зрительных способностях мало кого обрадует. Вот «соколиный глаз» – дело хорошее. А «рыбий глаз» – на это можно и обидеться. Но рыба прекрасно видит в воде, а всякий, кто нырял с открытыми глазами, знает, как вода искажает изображение.

Прежде всего вода «обманывает» зрение, даже если смотреть под воду снаружи. Ложка, опущенная в стакан с водой, кажется изломанной (рис. 136). Монета, лежащая на дне пустой чашки и не видимая сидящему за столом, как бы приподнимается и становится видимой, если в чашку налить воды. Этот опыт и схема, поясняющая его, приведены на рис. 137 (а и б). Все это происходит из-за преломления лучей света в воде. Чем больше показатель преломления среды, тем сильнее отклонения лучей света при переходе из воздуха (или вакуума) в эту среду – воду, масло, стекло и т. д.

Вот почему опасно людям, не умеющим плавать, особенно детям, доверять глазу при определении глубины воды с берега. Дно покажется приподнятым, вода мелкой, причем ошибиться можно почти на треть глубины. Кажется, что там можно стать на дно, а оно оказывается куда глубже. Хорошо, хоть это искажение действительной глубины испугает любителей нырять в незнакомых местах – глубина покажется им недостаточной и опасной. С лодки или низких мостков дно мелкого пруда или озера кажется вогнутым, так как только под собой мы видим истинную глубину. Чем дальше, тем более приподнятым кажется дно.

Преломляется луч света и при переходе из воды в воздух, но уже в другую сторону. Поэтому из-под воды внешний мир кажется также искаженным. Но самое главное то, что в воде наш глаз будет видеть очень плохо, как у сильно дальнозорких людей. То есть тех, которые носят очки с сильными «плюсовыми» стеклами. Или как человек с нормальным зрением, надевший очки с сильными «минусовыми» стеклами.

Почему это происходит? Дело в том, что показатели преломления воды и жидкостей внутри глаза – стекловидного тела и водянистой влаги – практически одинаковы и равны 1,34. Чуть выше этот показатель у хрусталика – 1,43, но этого недостаточно, чтобы глаз видел нормально. Преломления лучей при переходе из воды в глаз почти не будет (разве только чуть-чуть в хрусталике!), и глаз будет «работать» как сильно дальнозоркий.

Казалось бы, выход есть – надеть сильные очки для дальнозорких, то есть с плюсовыми стеклами, и все в порядке! Но не тут-то было – обычные очковые стекла очень слабо действуют в воде, так как их показатель преломления 1,5 близок к таковому для воды. Нужны стекла из особого, насыщенного свинцом стекла под названием «флинтгласс» с показателем преломления, близким к 2. А еще лучше из горного хрусталя и даже из алмаза, который имеет максимальный показатель – 2,42.

Но это шутка, а если серьезно, то лучше алмаза использовать для подводных линз… воздух или даже пустоту. Действительно, если трудно найти материал с коэффициентом преломления существенно выше, чем у воды, то с меньшим – сколько угодно. Та же пустота, где этот показатель равен 1 (из пустоты в пустоту свет проходит, конечно же, без преломления), или воздух с очень близким к пустоте показателем. А линзу сделать из воздуха – пара пустяков.

Изготовил из тонкого стекла или прозрачной пластмассы полый сосуд в виде линзы – и в воду.

Раньше, когда экраны телевизоров были малы, перед ними ставили огромные полые «наливные» линзы. Так вот, если эту полую линзу не наполнять водой, а, напротив, пустой поместить в воду, то это будет такая же линза, но… с противоположным знаком, т. е. рассеивающая!

Ведь при переходе из воды в воздух лучи преломляются, как из воздуха в воду, но в другую сторону – тогда полая вогнутая, или рассеивающая, линза в воде становится собирающей, или «плюсовой» (рис. 138). Вот ее-то и надо вставлять в очки для ныряльщиков, чтобы они видели, как рыба!

Кстати, а как устроен глаз самой рыбы? Неужели там тоже «полые» линзы? Нет, хотя так было бы, наверное, удобнее. Но глаз у рыбы похож на глаз человека, только хрусталик имеет шарообразную форму (рис. 139) и имеет показатель преломления самый большой для животного мира.

Так как шар уже не сделаешь более круглым, то при аккомодации он не становится более выпуклым, как у человека. Он придвигается или отодвигается от сетчатки, как объектив у фотоаппарата. Удобно и мудро!

Но как видят ныряльщики в масках или водолазы в шлемах? Здесь совершенно другое дело, потому что вода непосредственно не примыкает к глазу. Луч света при входе в воду преломляется, а при переходе снова в воздух шлема или маски делает это же, но в другую сторону. Поэтому через воздушную прослойку мы видим в воде почти так же, как и в воздухе.

Итак, если мы хотим представить себе, как видят рыбы из-под воды, лучше всего надеть линзы для ныряльщиков – выпуклые из флинтгласса или вогнутые полые, чтобы вода непосредственно омывала глаза. И тогда вам предстанет мир измененный и искаженный до неузнаваемости. А рыбы-то считают его нормальным!

Прежде всего, водная поверхность из-под воды кажется не плоской, а в форме конуса (такой огромной воронки, на дне которой находится наблюдатель). Верхний край этого конуса будет окружен радужным кольцом – это потому, что каждый цвет имеет свой показатель преломления, а белый свет разлагается на составляющие цвета, как в призме.

За краями этого конуса – блестящая, как ртуть, поверхность воды, в которой, словно в зеркале, отражаются все подводные предметы. Это дает о себе знать полное внутреннее отражение, которое, как в тех же стеклянных призмах, отражает свет лучше любого зеркала.

Этим, кстати, и объясняется защитная «зеркальная» окраска многих рыб, плавающих близ поверхности воды. На фоне блестящей поверхности воды они снизу не видны хищникам.

Фантастический вид приобрели бы предметы, которые частично погружены, а частично выступают над водой, например, люди, стоящие на дне мелководья (рис. 140).

Прежде всего, над головой висит воронка, в которой находится весь надводный мир. В этом конусе будут независимо ни от чего витать части тела купальщиков, выступающие из-под воды, например плечи и голова. При удалении их от наблюдателя части их тела, граничащие с водой, сжимаются все сильнее, и наступает момент, когда видны лишь свободно парящие головы над водой… Как в известной картине в стиле французского постимпрессионизма «Голова, реющая над водами». Тела купальщиков как бы раздваиваются, превращаясь каждое в два существа – верхнее безногое и нижнее безголовое, но зато с четырьмя ногами (две вверх и две вниз). Количество рук и вообще их наличие зависит от того, в воде или в воздухе они находятся. Наверное, нелишне заметить, что только нижние части купальщиков, стоящие на дне, и являются истинными, не искаженными. Выше идет отражение этих нижних частей и дна от зеркальной поверхности полного внутреннего отражения. А уже изуродованные «сжатые» верхние части туловища, реющие в отрыве от нижних, – это то, что мы видим в надводном мире.

Остается сказать, что такую картину не увидит ныряльщик в обычной маске или очках, прилегающих к глазам, когда глаза соприкасаются с воздухом. Поэтому изготовляйте полые воздушные линзы сами – и под воду! Жаль, что таких уже не продают в магазинах!

Но можно поступить и по-другому. Чтобы самому не лезть под воду, можно в спокойный и прозрачный пруд, озеро, бассейн или даже ванну погрузить зеркало и, наклонив его соответствующим образом, наблюдать в нем отражение надводных предметов. Легче всего осуществить этот эксперимент в своей ванной, хорошо осветив ее, чтобы лучше все увидеть.

А известный американский физик Вуд фотографировал под водой, только не обычными «подводными» камерами, а такими, где вода непосредственно соприкасается с пленкой (чтобы не было эффекта воздушной прослойки). И если дно пруда с воздуха кажется вогнутым, то железнодорожный мост, проходящий над рекой, сфотографированный из-под воды камерой Вуда, покажется выпуклым. Выпуклость эта направлена в сторону подводного фотографа, т. е. вниз (рис. 141).

И если бы рыбы могли говорить, то они рассказали бы, что стены и потолок комнаты, где стоит их аквариум, – выпуклые, а люди возле аквариума стоят дугой, выпуклостью обращенной к ним, то бишь к говорящим рыбам!

Курьезы нашего зрения

Как ни совершенно наше зрение, но промахи оно совершает часто. Вот один из примеров. На том месте сетчатки, где зрительный нерв выходит в глазное яблоко (он еще не разделен на разветвления, снабженные светочувствительными «палочками» и цветочувствительными «колбочками»), находится «слепое пятно». Люди, десятки, а может, и сотни тысяч лет пользовавшиеся своими глазами, и не подозревали о слепой зоне в своем зрении. А ведь в этой зоне мог притаиться волк или иной хищник, или добыча, необходимая дикому человеку!

Только в XVII в. люди узнали о существовании этой слепой зоны, и знаменитый физик Мариотт (1620—1684) (который вместе с Бойлем открыл закон Бойля – Мариотта) в присутствии короля Людовика XIV ставил двух придворных друг против друга и просил их рассматривать одним глазом нарисованные им точки на стенах. Тогда каждому из придворных казалось, что у его партнера нет головы. Опасный опыт – он роковым образом материализовался во Франции в эпоху Великой революции!

Пользуясь рис. 142, можно обнаружить эту слепую зону и у себя. Рассматривая точку в крестике слева одним правым глазом (закрыв левый), медленно приближайте книгу к себе, пока большое черное пятно на пересечении окружностей не исчезнет. При этом сами окружности будут хорошо видны. И не следует думать, что это пятнышко маленькое – на небе, например, оно равно по площади 120 полным лунам!

Почему мы не замечаем этой слепой зоны? Да просто привычка. Некоторые из нас, купив модные, обычно солнцезащитные, очки, так и не снимают со стекла наклейки со значком престижной фирмы. Что ж, через неделю и эта наклейка перестает быть заметной – привыкли и к ней!

Зрение часто подводит нас и по другой причине. Глаз все воспринимает правильно, а вот мозг, делая свои выводы из увиденного, дает нам неверный ответ. На опыте жизни мы привыкли бессознательно делать какие-то выводы (хотя бы тот, что наш мир перевернут не «вверх ногами», как это видят глаза!), которые в необычных случаях оказываются неверными. Вот, например, что больше в этой «остробокой» фигуре – ширина или высота (рис. 143)? Почти каждый скажет, что высота. Потому что он бессознательно начнет склеивать отдельные горизонтальные фигурки и сделает ложный вывод. Между тем ширина и высота совершенно одинаковы. Измерьте линейкой и убедитесь.

По отношению же к крупным предметам, которые не охватываются одним взглядом, эта иллюзия работает наоборот: всем известно, что костюм или платье в продольную полоску делает человека выше и худее, а в поперечную – ниже и полнее. Так очень часто умелые люди скрывают свои недостатки. Глаза человека при рассматривании больших предметов инстинктивно скользят вдоль полос – вот этот размер и кажется более длинным.

Глаз человека привык все сравнивать. Рядом с большим предметом или расстоянием все кажется более мелким, чем отдельно, само по себе. Например, на рис. 144 внутренний кружок на крышке банки кажется явно меньше ее дна. Между тем измерение показывает, что оба этих кружка одинаковы. Наличие большого круга на крышке зрительно уменьшает внутренний круг.

По той же причине на рис. 145 расстояние АВ кажется больше, чем СД. Мы невольно сравниваем промежуток СД с большим пространством между крайними линиями, что играет не в пользу длины СД.

Эта иллюзия до того сильна, что вы можете даже поспорить, какая из линий XY или XZ на рис. 146 длиннее? И выиграете спор, потому что линия XY явно кажется раза в полтора длиннее XZ. И хотя в это трудно поверить, эти линии одинаковой длины. Уберите остальные линии, путающие вас, и вы увидите, что обманный эффект исчез.

Очень путают ситуацию косые линии, пересекающие изображение. Женщины знают, что стоит чуть перекосить чулки, на которых имеются продольные линии, клетка или ромбы, чтобы ноги показались кривыми.

Убедитесь в поразительном действии косых линий – (рис. 147). Соединив в каждой букве линейкой угловые элементы, вы получите вертикально стоящие буквы с параллельными сторонами.

Точно так же на рис. 148 спиральные линии отнюдь не таковы. Возьмите циркуль и убедитесь, что это самые настоящие окружности!

Очень обманывает зрение и цвет предметов: темные, а тем более черные предметы кажутся меньше светлых белых. Потому полные люди часто одеваются в темные одежды. Женщины знают, что темные чулки делают ногу стройнее. Но мало кто знает, что этот эффект может действовать столь сильно.

Взгляните на рис. 149 и попробуйте определить, сколько черных кружков уместятся в пространстве между нижним и верхним кружком. Обычный ответ – четыре или пять. На самом деле – точно три кружка. Дело даже доходит до проверки, настолько сильна иллюзия! Светлое пространство кажется намного больше черных кружков.

Встречаются и более сложные, буквально, психологические курьезы. В Пантелеймоновском монастыре в Новом Афоне есть настенный рисунок, который вызывает интерес всех посетителей. Называется он «Бегство в Египет», на нем изображена Богоматерь с Младенцем, сидящая на ослике и едущая, по всей вероятности, из Иудеи в Египет, где святое семейство спасалось от репрессий царя Ирода, убивавшего всех младенцев. Так вот, ослик не только пристально смотрит вам в глаза, но и всем телом поворачивается к вам, в какой бы угол вы не зашли. Автор не мог найти объяснение эффекту, пока ему не попалась книжка Я. И. Перельмана «Занимательная физика», где он прочел следующее:

«Всем, вероятно, приходилось видеть портреты, которые не только смотрят прямо на нас, но даже следят за нами глазами, обращая их в ту сторону, куда мы переходим. Эта любопытная особенность таких портретов издавна подмечена и всегда казалась многим загадочной; нервных людей она положительно пугает. У Гоголя в „Портрете“ прекрасно описан подобный случай:

«Глаза вперились в него и, казалось, не хотели ни на что другое глядеть, как только на него… Портрет глядит мимо всего, что ни есть вокруг, прямо в него – глядит к нему вовнутрь…»

Немало суеверных легенд связано с этой таинственной особенностью глаз на портретах (вспомните тот же «Портрет»), а между тем разгадка ее сводится к простому обману зрения.

Все объясняется тем, что зрачок на этих портретах помещен в середине глаза. Именно таким мы видим глаза человека, который смотрит прямо на нас; когда же он смотрит в сторону, мимо нас, то зрачок и вся радужная оболочка кажутся нам находящимися не посредине глаза, но несколько перемещенным к краю. Когда мы отходим в сторону от портрета, зрачки, разумеется, своего положения не меняют – остаются посредине глаза. А так как, кроме того, и все лицо мы продолжаем видеть в прежнем положении по отношению к нам, то нам, естественно, кажется, будто портрет повернул голову в нашу сторону и следит за нами.

Таким же образом объясняются и другие озадачивающие особенности некоторых картин: лошадь едет прямо на нас, куда бы мы ни отходили от картины; человек указывает на нас – его протянутая вперед рука направлена прямо к нам и т. п.»

Подобными приемами часто пользовались и, вероятно, пользуются и сейчас, для изготовления плакатов и реклам. Подпишите под портретом налогового инспектора на рис. 150 слова: «А ты сполна заплатил налоги?», и вы получите устрашающий плакат. Глаза налогового инспектора найдут вас везде, куда бы вы ни спрятались.

И еще один курьез нашего зрения, тесно связанный с психикой, – это особенность зрения близоруких. Близорукий, без очков, разумеется, видит все расплывчато, мелкие детали ему не доступны. Лица людей, на которых он не различает морщинки, кажутся ему моложе, привлекательнее; кожа гладкой и чистой. Не различая мелочей досконально, близорукий сам домысливает их по своему вкусу. Он может сильно уменьшить возраст людей, которых видит, найти в обычных лицах неземную красоту.

Друг Пушкина, поэт Дельвиг, которого мы знаем по портрету в очках с металлической оправой и маленькими стеклами, был близорук. А в лицее (какая дикость!) ему запрещали носить очки. Может быть, поэтому он и стал лирическим поэтом: «…все женщины казались мне прекрасны; как я разочаровался после выпуска!» – вспоминал Дельвиг.

Что по бокам у радуги?

Мы все видели радугу – это очень красивое природное явление. Но можно получить радугу и самому, разложив луч света на составляющие. Какое-то подобие мы видели при блеске драгоценных камней, при падении солнечных лучей на края зеркал, на грань аквариума с водой. Но никто до Исаака Ньютона не догадывался, что белый свет состоит из различных цветов, каждый из которых, проходя через стеклянную или иную прозрачную призму, преломляется по-разному. Как сформулировал сам Ньютон: «Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости». И, преломляя луч белого света, Ньютон впервые получил так называемый спектр.

Ньютон впервые сделал то, что до него никто не догадывался сделать – он направил на стеклянную призму луч света малого поперечного сечения. Такой «тонкий» луч Ньютон получил, пропуская луч солнечного света через маленькое отверстие в ставне (рис. 151). Солнце для этого должно быть сравнительно невысокое, лучше всего утреннее. Падая в затемненной комнате на стеклянную призму, луч преломлялся и давал на противоположной стене вертикальное удлиненное изображение с ярким радужным чередованием цветов. Как и в природной радуге, где она считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон также выделил семь основных цветов, считая сверху вниз: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску именно Ньютон назвал спектром.

В дальнейшем Ньютон сам усовершенствовал свой опыт, чтобы получить более чистые цвета. Ведь круглые пятна от преломленного солнечного луча частично перекрывали друг друга (рис. 151). Вместо круглого отверстия он использовал узкую щель, освещенную ярким источником. За щелью расположилась линза, дающая на экране изображение в виде узкой яркой белой полоски. Помещая на пути луча призму, Ньютон получил «чистый» спектр (рис. 152). Поставив на пути разложенного луча вторую, перевернутую, призму, Ньютон «собрал» цветные лучи опять в белый.

После опытов Ньютона стало действительно понятно, что такое краски, почему они дают эффект цвета. Если какой-нибудь предмет отражает все лучи, падающие на него, то этот предмет будет казаться белым. Покрывая белую бумагу слоем краски, мы «задерживаем» определенные цвета, отражая какой-нибудь конкретный цвет. Трава и листья растений кажутся зелеными потому, что они отражают лишь зеленые оттенки, поглощая все остальные. Запомним это, факт этот очень важен для поддержания жизни на Земле!

Красивый опыт Ньютона можно повторить и самим, если даже у вас нет никакой призмы. Вместо стекла можно использовать… воду. Если у вас есть аквариум, то опыт можно проделать так, как это видно из рис. 153. Окно закрыто темной бумагой или картоном, в котором проделана узкая вертикальная щель. Опыт лучше проводить утром, пока солнце невысоко.

Если лучи солнца падают круто, то опыт можно поставить по-другому. Щель в картоне следует теперь проделать горизонтально, а на пути луча поставить тазик с водой и наклонным зеркалом в нем (рис. 154). Спектр в виде вертикальной полосы на том же картоне, где и прорезана щель, будет, в отличие от ньютоновского, иметь красный цвет наверху и фиолетовый внизу.

А теперь перейдем к нашему основному вопросу: что находится по «бокам» у радуги, там, где нет никакого цвета? Первым задал себе этот вопрос известный астроном Вильям Гершель. Так же, как Ньютон, Гершель получил спектр, и в различные его участки ставил термометр. При этом на каждом цвете спектра термометр показывал температуру выше комнатной. Но особенно высокую температуру показывал термометр не в самом спектре, а уже в темноте, рядом с крайними красными лучами спектра. Сомнений не было – есть какие-то невидимые лучи, которые также преломляются в призме и несут большую энергию, чем остальные. Эти лучи были названы инфракрасными, они преломлялись меньше красных и имели длину волны больше них. Другое название этих лучей – тепловые, их выделяют нагретые тела прежде, чем они начинают испускать лучи видимого спектра.

Вслед за публикацией Гершеля об обнаруженных им инфракрасных лучах (1801 г.) последовало сообщение физика П. Риттера о невидимых лучах, но уже лежащих по другую сторону спектра, дальше фиолетовых. Названы они были ультрафиолетовыми. Именно эти лучи помогают нам загорать. Длина волны этих лучей короче фиолетовых.

Видимая часть спектра включает электромагнитные волны длиной от 4 · 10-5 см (фиолетовые) до 8 · 10-5 см (красные). Но электромагнитные волны бывают длиной от километров (радиоволны) до «жестких» рентгеновских лучей с длиной волны около 10-8 см. Есть и более короткие электромагнитные волны – так называемые гамма-лучи.

Почему же видим мы только крохотную полоску, как бы зажатую между инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами? Ведь диапазон электромагнитных колебаний очень широк, волны по длине меняются более чем в миллиарды раз, а видим мы волны, длина которых меняется лишь в 2 раза?

Конечно, сразу можно сказать, что человеку для практических целей подходят не все длины волн. Гамма-лучи и рентгеновские лучи испускаются при особых обстоятельствах, вокруг нас их почти нет. И это очень хорошо. Рентгеновские и особенно гамма-лучи вызывают так называемую лучевую болезнь, так что человечество недолго могло бы существовать в этих лучах.

Длинные радиоволны были бы крайне неудобны. Они свободно огибают препятствия метровой величины, и мы не могли бы рассмотреть предметы, видеть которые нам жизненно необходимо.

Есть еще инфракрасные лучи, способные нагревать тела, но не видимые нами. Они, казалось бы, с успехом могли бы заменить волны тех длин, которые воспринимаются глазом. Или, наконец, глаз мог бы приспособиться к ультрафиолету.

Что же, выбор узкой полоски длин волн, которую мы именуем видимым светом, именно на данном участке шкалы электромагнитных волн сделан природой случайно?

Нет, здесь далеко не случай. Прежде всего максимум излучения электромагнитных волн Солнца лежит как раз посредине видимого спектра, в его желто-зеленой области. Но не это все же главное! Излучение в соседних областях спектра тоже достаточно интенсивно.

Все дело в том, что мы живем на дне воздушного океана. Земля окружена атмосферой. Мы ее считаем прозрачной или почти прозрачной. И она является таковой в действительности, но только для очень узкого участка спектра, к восприятию которого как раз приспособился глаз. Это первое оптическое «окно» в атмосфере. Кислород сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. Пары воды задерживают инфракрасное излучение. Длинные радиоволны отбрасываются назад в космическое пространство вследствие отражения от ионосферы.

Таким образом, в процессе естественного отбора живые организмы приобрели орган, чувствительный как раз к излучениям, имеющим наибольшую интенсивность и наиболее подходящим для своего назначения.

То, что максимум излучения Солнца точно приходится на середину оптического «окна», следует, вероятно, считать дополнительным подарком природы.

Как Архимед сжег корабли?

Существует легенда, по которой великий Архимед, якобы пользуясь зеркалами, сжег римские корабли. Об этом факте писал Диодор Сицилийский в I в. до н. э.; знаменитый римский врач Гален во II в. н. э. также упоминал об этом. В IV в. византийский математик и архитектор Анфимий в книге «О чудесных механизмах» описал зеркало Архимеда, которым тот сжег корабли. Возможно, Анфимий располагал какими-то материалами или чертежами, которые до нас не дошли.

Зеркало Архимеда (рис. 155) представляло собой огромную деревянную раму с подвижной восьмиугольной доской на ней. На этом восьмиугольнике были установлены двадцать пять больших квадратных бронзовых зеркал, по-видимому, из щитов, которые использовали тогда воины. Зеркала были установлены так, что все они посылали свой солнечный зайчик в одно и то же место на расстояние около 100 м.

Таким образом, зеркало Архимеда, или «огненный палец», как еще называли его, было прообразом современных гелиоконцентраторов, широко используемых в современной солнечной энергетике (рис. 156). Но «фокус» его в отличие от современных установок был отодвинут довольно далеко, на расстояние, которое отделяло зеркала от кораблей.

Световое оружие Архимеда волновало людей последующих поколений, и в начале XVII в. его подробно проанализировали двое известных ученых – астроном И. Кеплер и физик Р. Декарт. Оба пришли к выводу, что зеркало Архимеда не могло поджечь корабли и что легенда о нем – вымысел.

Но уже в 1747 г. французский натуралист Ж. Бюффон заказывает механику Пассману устройство, подобное зеркалу Архимеда, но состоящее из 168 плоских зеркал с довольно скромной общей площадью 5,82 м². С помощью этого устройства Бюффон воспламенил дерево на расстоянии 50 м! Этот опыт он описал в трактате «Изобретение зеркал для воспламенения предметов на больших расстояниях».

И еще через 200 лет после Бюффона другой вариант зеркала Архимеда воспроизвел греческий инженер Ионас Саккас. Для максимального приближения к условиям Архимеда Саккас использовал не стеклянные, а медные зеркала – щиты размером 1 × 1,5 м. В 1973 г. недалеко от Афин на берегу моря, Саккас разместил людей с этими щитами, а в море на расстоянии 50 м от берега стояла обреченная лодка. По сигналу Саккаса люди направили свои солнечные зайчики от щитов на лодку, и она через несколько минут запылала.

Итак, легенды об «огненном пальце», или зеркале Архимеда, имели под собой реальную почву. Соблазн иметь такой «огненный палец» был настолько велик, что писатель Алексей Толстой даже описал его в своем романе «Гиперболоид инженера Гарина». Гиперболоид этот представлял собой систему зеркал, отражающих лучи особых горящих пирамидок, поставленных в фокусе системы. Отражаемые лучи согласно замыслу должны были не расходиться, а идти параллельным пучком на далекие расстояния, поджигая и даже просто испепеляя все на своем пути. Увы, в таком виде подобный гиперболоид не мог выполнить этой задачи – вместо «пирамидок» нужен был «точечный» источник света (и энергии!), которого принципиально не может существовать.

В наше время роль «огненного пальца» успешно выполняет лазер. Луч его немного расходится: пройдя расстояние до Луны, например, он оставляет на ней «пятно» около 1 км диаметром! Об этом не мог мечтать и Гарин, автор фантастического гиперболоида… Как же устроен лазер, этот современный «гиперболоид»?

1 – цилиндр из кристалла рубина; 2 – спиральная импульсная лампа; 3, 4 – параллельные торцы цилиндра с зеркальным слоем

Внешне лазер устроен очень просто (рис. 157). Например, кристалл 1 рубина с небольшой примесью хрома выполнялся в форме цилиндра диаметром около 3 см и длиной 20 см. Торцы цилиндра 3 и 4 строго параллельны друг другу, и на них нанесен отражающий (зеркальный) слой, причем один из этих слоев полупрозрачен: около 8 % света проходит через него, а 92 % отражается. Рубиновый стержень помещен внутри импульсной спиральной лампы 2 (называемой иногда «лампой-вспышкой»), являющейся источником возбуждающего излучения, или так называемой лампой накачки.

Известно, что порция света, или фотон, испускается атомами в момент перехода с верхнего энергетического уровня на нижний. Обычно это испускание фотонов происходит неупорядоченно – сперва один атом «даст» порцию света, затем – другой. А в лазере, в частности, рубиновом, о котором мы говорили, после того как лампа основательно «накачала» его атомы до возбужденного состояния, стоит хоть одному атому хрома выпустить хоть один фотон, как возникает целая лавина фотонов, испускаемых возбужденными атомами. Фотоны летят от одного торца кристалла до другого, отражаясь в зеркальных покрытиях, и по дороге вызывают вынужденное излучение все у новых и новых атомов хрома. И происходит это не так медленно, как описывает автор, а очень и очень быстро (скорости-то световые!) – за 10-8 – 10-10 с. Из-за такой кратковременности процесса выделенной световой энергии мощность излучения лазера достигает 10⁹ Вт, то есть мощности крупной электростанции! Вот что значит всем атомам сработать «хором». Излучение лазера имеет не только большую мощность, но и малую расходимость. Вспомните, как луч лазера дошел до Луны почти компактным пучком!

Сейчас, кроме кристаллических лазеров, существуют лазеры газовые, а также на жидкостях-красителях. Газовые лазеры в отличие от кристаллических работают не короткими вспышками-импульсами, а непрерывно. Лазеры на красителях могут менять свою частоту (длину волны луча) в довольно широких пределах.

Лазер сейчас применяется столь широко, что даже трудно перечислить все его «специальности» – от резания, сварки, сверления металлов и камней до хирургических операций, в том числе и на глазе. Пораженный способностью лазера «выжигать» живые ткани, автор для интереса попросил друзей «выжечь» ему кусочек таковой на спине. Что ж, запахло немножко паленым, дым отсасывали особым пылесосом, боли не ощущалось. Шрама почти не осталось!

Сейчас стали модными лазерные фонарики-указки. Луч красного света ставит «отметину» на довольно большом расстоянии. К сожалению, дети балуются такими фонариками, направляя луч друг другу в глаза, что опасно. А однажды произошла буквально трагедия – молодые люди направили луч такого фонарика на незнакомого человека. А красное пятнышко этого луча поразительно похоже на пятнышко, оставляемое лазерным прицелом стрелкового оружия. И охранники этого незнакомца, который оказался «важной птицей», открыли пальбу по молодым людям с лазерными фонариками…

Отдельный интерес представляет мощное лазерное оружие. Особенно эффективно оно в космосе, где луч лазера не рассеивается, как в воздухе. Лазер «накачивается» от источников солнечной или накопленной энергии и посылает смертоносный луч, способный за сотни и тысячи километров уничтожить вражескую ракету или спутник. Так как мощности «накачки» в таких лазерах очень велики, то непосредственно энергии солнечных батарей для этого не хватает. Ее приходится запасать в особых накопителях энергии – маховичных или конденсаторных, чтобы потом выделить ее в виде мощнейшего импульса. Ведь лазер не «создает» энергию, он только преобразует ее, причем не с таким уж высоким КПД – 30—40 %.

Поэтому одной из важнейших задач лазерного оружия является обеспечение лазера мощным источником энергии. Автору представляется, что наиболее компактным и легким источником накопленной солнечной энергии мог бы стать супермаховик с мощным генератором. Согласно расчетам, он гораздо легче, компактнее и надежнее батарей из большого числа соединенных друг с другом конденсаторов. В космосе маховик «чувствует себя» особенно хорошо – у него нет веса, и он не «давит» на опоры. Нет и сопротивления воздуха, поскольку в космосе вакуум. Поэтому потери на вращение там – минимальные.