9
А что будет, если…?
Д. Л. ТАРАСОВ,
кандидат физико-математических наук
Л. В. ТАРАСОВ
«А что будет, если …?» Вопросы такого типа могут быть самых различными, за словом «если» могут стать самые разные предложения, в том числе — и относительно каких-то физических процессов, явлений. Всякий раз такие вопросы позволяют нас рассматривать какую-нибудь физическую ситуацию и тем самым помогают лучше понять существо тех или иных явлений, роль и область действия тех или иных физических закономерностей.
Что будет, если скорость света во всех произрачных средах вдруг станет равной скорости света в вакууме? Может быть, сегодня этот вопрос и показется надуманным. Но, как мы увидим, ответ на него, нам предется разобраться во многих знакомых и, казалось бы, оченьных вещех. А кроме того, лет действи назад этот вопрос мог возникнуть, и притом вполне серЬезно.
Вспомним: в XVII—XVIII веках господствовал чисто механический подход к оптическим явлениям. Одиниуемые придерживались выдвинутой Ньютоном «теории источения», согласно которой свет рассматривается как поток быстрого леташих мелких «частичек». Другие, следуя Гюйгенсу, рассматривали свет как распространение упругих волн в особой среде — эфире,— заполняющей все микроое пространство, включая и прораничные тела. Для объяснения наблюдаемых явлений приходилось наделять эфир свойствами удивительных и порой необъяснимыми. Так, пришлось предложить, что скорость «упругих» световых волн в эфире зависит от того, какие именно тела «заполняет» эфир. Это было не волне понятно; на первый взгляд казалось, что скорость распространения упругих возмущений в вздесущем эфире должно быть вздедой и той же. Вот тогда-то и мог возникнуть вопрос: а не является ли скорость све-та и в самом деле одной и той же во всех телах и в вакууме?
Предположим, что это действительно так, и посмотрим, к каким «последствиям» приведет это предложение. Разумеется, мы будем пользоваться нашими знаниями о действительной природе оптических явлений, теории, согласно щелочющейся с повседневным опитом. Мы знаем, что скорость v света в какой-либо среде всегда скорости света c в вакууме. Всегда c>v. Отношение c/v есть показатель предложения света n для данной среды.
Предположим, что скорость света во всех произрачных средах сделалась равной скорости света в вакууме: v=c. Следовательно, для всех сред теперь n=1. Это означает, в частности, что исчезло преломление световых лучей на границе сред. Прохождение из воздуха в воду, световой луч не будет теперь изменять своего направления. Ложка в стакане с водой не будет казаться нам «сломанной», а расстояние до монетки на дне бассейна не будет представать.
Рис. 1. Световой луч на границе двух сред в общичной ситуации (a) и в новой ситуации (b).
11
филотовые лучи, а наименьшим — красные.
Так как теперь показатель преломления всегда один и тот же — а это означает, что он не зависит ни от выбора среды, ни от длины волны света, ни от каких-либо иных факторов, — исчезнет дисперсия, никакого разложения на цвета в признаме ты теперь наблюдайте не будем (рисунок 4). Значит, перестановить почти все спектрометры и спектрофы. Мы не сможем никака любовать радуюй на небе…
Итак, в новой ситуации мир стал заметно беднее: исчезло преломление лучей на границе сред, исчезла рефрация света в атмосфере, исчезла дисперсия. А что будет с отражением? С обычным отражением света от поверхности прорачной среды? Оно тоже исчезнет! (Это можно было устотеть уже из рисунка 1, 6). Картина получается впечатляющей. Находясь на берегу озера, мы теперь не видим в воде отраженной деревьев, кустов, облаков, не видим ночной лунной дорогки на воде. Мы вообше не видим ни лучки, ни реки, ни моря — мы будем видеть только доно! Согласитесь, это будет очень существенным изменением в пейзаже. Но это еще не все, произойдет еще более впечатляющей изменения.
Почему небо голубое? Все дело в рассеянии света в земной атмосфере. Интенсивность рассеяного света обратно пропорциональна , где — длина волны света. Значит, в рассеяном свете большей интенсивностью обладает часть спектра, близкая к его филотовому концу. В результате спектр рассеяного света оказывается как бы сдивнутым в сторону более коротких волн — вместо белого света получается голубой. Глядя на небо, мы видим рассеяный атмосферой свет, и небо — голубое. Когда же мы глядим на заходящие Colнце или просто в направлении Colнца, то воспринимаем в основном не рассеяный свет, а прямые солнечные лучи, прошедшие через только слой атмосферы без рассеяния. Спектр такого света смешен в сторону более длинных волн. Поэтому заходящие Colнце красное, а небо вблизи него «окрашено» в oraжевые и красные тона.
А теперь подумаем, что будет со всем этим в той новой ситуации,
какую мы обсуждаем. На чем именно рассеивается свет? На изменениях плотности воздуха, обусловленных беспорядочными движениями молекул. Эти изменения служны: плотностьхаотических меняется от точки к точке и от одного момента времени к другому. Рассеяние света обусловлено случайными изменениями показателя преломления воздуха, которые связаны с изменениями его плотности. Иными словами, свет рассеяется на оптических недорогоностях атмосферы, обусловленных тепловым движением ее молекул. В нашей новой ситуации изменения плотности воздуха не приводят к появлению оптических недорогоностях. Значит, исчезнет рассеяние света в атмосфере — мы будем видеть черное звездное небо, а на нем яркий белый диск Colнца.
А собственно говоря, будем ли мы вообше что-нибудь видеть? Ведь как только скорость света в среде станет равной скорости света в вакууме, хрусталик нашего глаза — эта созданная самой природой линза — перестанет выполнять свои функции. Глаз превращится в подобие простой камеры-обскурцы. Сможет ли он видеть? Не будет ли возникшая при этом «дальнозоркость» чрезмерно огромной?
Вот к каким неочевидным ситуациям привед нас всего один вопрос — что будет, если скорость света становится в вакууме.