Человек открывает законы светового луча

Некоторые ученые убеждены, что приблизились к разгадке таинственных появлений в старинных замках привидений. Причиной необъяснимого возникновения призраков является устойчивое расслоение воздуха внутри обширных помещений такого рода зданий. Феодальные замки, как известно, невероятно холодны. Их комнаты, слишком высокие и просторные, располагаются таким образом, что неспособны аккумулировать тепло. Воздух внутри помещений замка холоден и тяжел. Камины, однако, давали мощные потоки легкого теплого воздуха. Он не перемешивался с холодным, т. к. система внутренних помещений замка не была на это рассчитана.

Легкий воздух вытеснялся холодным вверх и скапливался у потолка. Постепенно в комнатах с каминами возникали большие скопления легкого воздуха поверх тяжелого. Происходило сложное вертикальное расслоение воздушных масс, чему способствовали высокие потолки. Так как плотность этих слоев была различна, то получалась настоящая воздушная линза, обладающая за счет своей многослойности еще и зеркальными свойствами.

Такие линзы отлично отражали свет, попутно искажая его. Достаточно было войти в комнату со свечой, как под потолком возникало размытое отражение ее тусклого света. Появлялось дрожащее призрачное видение. Возможно, кому-то такое объяснение покажется надуманным и далеким от действительности. Что ж, проверить справедливость этой интересной гипотезы можно только опытным путем. Однако сама природа почти каждый день ставит сходные опыты и охотно демонстрирует их людям.

Речь идет о миражах, в естественном происхождении которых ни у кого не возникает сомнений. Миражи обычны в пустынях, поскольку там земля за день чрезвычайно раскаляется и сильно нагревает прилегающий к ней слой воздуха. Периодически этот легкий слой отрывается и вытесняется вверх более тяжелым холодным. Но это происходит довольно медленно, отчего над пустынями выстраивается целый ряд слоев разной плотности, а приземной воздух обычно оказывается менее плотным.

В таком толстом зеркале возникают самые причудливые изображения. Как бы то ни было, чаще всего люди видят в пустыне обширные озера с чистейшей пресной водой. Эта иллюзия подкрепляется изнуряющим ощущением жажды. Появление озер неизбежно, потому что над сухими песчаными морями раскинулось знойное голубое небо. Оно чаще всего и отражается в воздушных зеркалах. Отраженную небесную синеву люди принимают за далекое озеро. Миражи в пустынях погубили немало путешественников, доверчиво поддавшихся обману.

Возникновение миражей и прочие оптические явления, наблюдаемые людьми в природе, тесным образом связаны с физикой лучей света. Световой луч является в известной степени абстрактным понятием, служащим для обозначения направления потока лучистой энергии. Это геометрическая линия, возможно, самая идеальная прямая в природе. Еще древние греки это прекрасно поняли. Они же первыми догадались, что в воздухе свет распространяется прямолинейно, причем лучи идут параллельно друг другу.

Древнегреческий геометр Евклид первым дал четкую формулировку закону прямолинейного распространения света. Евклид утверждал, что световые лучи, не пересекаясь, движутся по кратчайшему пути, т. е. по самому короткому расстоянию между двумя точками — прямой линии. Этот же ученый впервые сформулировал закон отражения света: угол падения световых лучей равен углу отражения.

Оба закона, как ни странно, были выведены задолго до Евклида эмпирически, из опыта. Опираясь на эти законы, геометр дал научное объяснение многим оптическим явлениям. Последовательно применяя методы геометрии при восстановлении пути лучей, Евклид заложил основы т. н. геометрической оптики, просуществовавшей почти без изменений вплоть до XVII в. Ключевое положение данной науки — о прямолинейном ходе лучей — верно лишь отчасти.

На самом деле луч не распространяется прямолинейно ни в одной среде, даже в вакууме. Дело в том, что в космосе на луч влияют силы гравитации, которые отклоняют его от прямой. Впрочем, согласно теории относительности, именно так и должна выглядеть кривая, помещенная в гравитационное поле. Луна вокруг Земли тоже движется по прямой линии — прямой для гравитационного поля. Иного ожидать от гравитации не приходится, поскольку она меняет геометрические свойства пространства.

Что касается воздуха, то здесь все гораздо проще. В небольшом объеме воздух прозрачен, отчего световые лучи распространяются в нем прямолинейно. Однако атмосфера в целом весьма неоднородна. В одном из разделов второй главы, посвященном давлению воздуха, было подробно рассказано об областях разной плотности в пределах атмосферы. Таким образом, воздушная оболочка планеты многослойна и к тому же постоянно содержит в себе воздушные линзы разной плотности. Оптические свойства атмосферы меняются от места к месту, что и приводит к образованию воздушных «зеркал», порождающих миражи и гало.

Особое значение для развития оптики имело открытие закона преломления света, которое происходило постепенно, поскольку он не был столь очевиден, как законы прямолинейного движения световых лучей и отражения. Александрийский геометр и астроном Птолемей во II в. до н. э. изобрел диск для измерения угла преломления световых лучей, проходящих из воздуха в воду. Однако установить на основании своих замеров закона преломления Птолемей не сумел.

Дальнейшие достижения оптики связаны с именем немецкого астронома И. Кеплера. Он попытался сформулировать закон преломления и построил теорию движения световых лучей в оптическом приборе. Кеплер в 1604 г. провозгласил, что каждой точке предмета соответствует только одна точка изображения, которое попадает в глаз наблюдателя. Опираясь на этот принцип, ученый геометрически восстановил ход световых лучей в разных оптических приборах.

Причем под последними ученый понимал и хрусталик глаза, и линзу, и систему линз, и зеркало. Когда законы построения изображения в оптических приборах были в целом сформулированы, Кеплер разбирает работу зрительных трубок, в частности телескопов. К этим исследованиям он приступает в 1611 г., уже после того, как Галилей провел свои наблюдения.

Однако предложенный Кеплером телескоп, получивший название трубы Кеплера, оказался гораздо удачнее галилеевой трубы. Попутно немецкий ученый ввел в науку термины «фокус» и «оптическая ось». Отталкиваясь от выводов Кеплера, Снеллиус и Декарт в 1630-х гг. уточнили закон преломления света, завершив тем самым становление науки.

Благодаря трудам Кеплера были объединены и сформулированы более четко известные прежде законы света, открыты новые законы, создан фундамент для дальнейшего развития оптической науки. Причем теперь оптика развивалась сразу в нескольких направлениях. Прежнее изучение методами геометрии было дополнено экспериментальными исследованиями при помощи линз, зеркал и прочих оптических приборов. А также внутри оптики зародилось прикладное направление, занятое проектированием и расчетом наблюдательных устройств с системой стекол — телескопов и микроскопов.