Радугу творят водяные капли: в небе — дождинки, на поливаемом асфальте — капельки, брызги от водяной струи. Радугу могут сотворить и капли-росинки, которыми осенним утром покрыта низко скошенная трава.
Вначале поговорим о «геометрии» радуги, т. е. о форме и расположении разноцветных дуг, а затем — о «физике» радуги, о том, какие физические законы определяют её форму и цвета.
«Геометрия радуги» в небе описана давным-давно. Обычно в небе видны две разноцветные концентрические дуги: одна — яркая, а другая — побледнее. Каждая дуга является частью окружности, центр которой лежит на прямой, проведённой через солнце и глаз наблюдателя. Эта прямая — своеобразная ось, и вокруг неё изогнута радуга. Глаз наблюдателя оказывается в вершине конусов, в основании которых — разно-цветные дуги. Образующие этих конусов с осью соответственно составляют углы 42 и 51°. Солнце светит из-за спины наблюдателей, чем ниже оно опускается к горизонту, тем выше поднимается вершина радуги. В тот момент, когда солнце касается горизонта, можно увидеть полукруглую радугу: большей она никогда не бывает. Если же солнце поднимется над горизонтом более чем на 42°, вершина яркой радуги уйдёт за горизонт.
Всё происходит так, будто негнущиеся прямые, как коромысло, закреплены в точке О, где находится глаз наблюдателя, а на концах коромысла — солнце и вершина радуги. Это означает, что у каждого наблюдателя «своя» радуга, изогнутая вокруг «своей» оси, той самой, которая проходит через его глаз. Радуга всё же не настолько «своя», чтобы стоящие рядом не могли обсуждать её красоту. Они видят практически одно и то же, так как солнце удалено от наблюдателей на расстояние, неизмеримо большее, чем расстояние между ними. И ещё: дойти до радуги, как и до горизонта, невозможно. И приблизиться к ней тоже невозможно, потому что это означало бы изменение всей геометрии радуги, в частности угла при вершине конуса. А его соблюдение — первейшее требование и физики, и геометрии радуги.
К геометрическим сведениям следует отнести данные о порядке чередования цветов в радугах. Как известно, в радуге представлены «все цвета радуги» — от красного до фиолетового. Порядок цветов в дугах обратный, и друг к другу они обращены красными полосами. Вот и вся геометрия радуги, во всяком случае той, которая сотворена каплями в небе.
Теперь о физике радуги. Её история восходит к 1637 г., когда французский философ и естествоиспытатель Рене Декарт впервые понял роль капли в возникновении радуги. Своё открытие он подтвердил расчётом, потребовавшим затраты огромного труда: он проследил путь в сферической капле 10 тыс. параллельных солнечных лучей. Первый из них касается поверхности капли, а десятитысячный проходит через её центр, т. е. расстояние между крайними лучами равно радиусу капли.
Идея Декарта была проста и естественна. Он считал, что солнечные лучи, двукратно преломляясь в капле и один раз отражаясь от её поверхности, могут попасть в глаз наблюдателя. Проследив такой путь 10 тыс. лучей, он убедился, что все лучи, номера которых приблизительно находятся между 8500 и 8600, будут из капли выходить практически в одном и том же направлении, под углом 42° к оси радуги. Следовательно, среди прочих это направление выделено своей яркостью, и стократно усиленный луч воспримется наблюдателем. Конечно, преломляют и отражают лучи все капли, витающие в небе, но глазом будут восприняты световые сигналы лишь от тех, которые расположены на дуге, удовлетворяющей требованиям геометрии радуги, прямо следующей из её физики.
Всё рассказанное о 10 тыс. лучей касается главной радуги, той, к которой относится цифра 42°. Если же мы рассмотрим более сложный путь лучей в капле — два преломления при двух, а не одном отражении, — получим объяснение второй дуги, к которой относится цифра 51°.
В разумности идеи Декарта можно убедиться, сотворив радугу в лаборатории с помощью одной искусственной огромной «капли». Её можно создать, заполнив сферическую стеклянную колбу водой. Колбу надо поставить перед экраном и через отверстие в нём направить на колбу параллельный сноп света. На экране образуется полное цветное кольцо, удовлетворяющее всем требованиям «геометрии радуги».
Появление цветов — естественное следствие зависимости показателя преломления от длины волны света. В капле происходит то же, что в стеклянной призме, которая разлагает белый свет на «все цвета радуги». «Физика» радуги остаётся неизменной при различных «геометриях» — для радуги на мокром асфальте и на скошенной траве, покрытой росой.
Ещё следует упомянуть об эффектах, связанных с малостью размера капель. Те капли, которые в основном творят радугу, имеют диаметр 0,08—0,2 мм. При таких размерах надо учитывать, что свет имеет волновую природу. Связанные с этим изменения элементарной теории Декарта, который рассматривает луч, а не волну, оказываются не очень существенными.
Если бы создающие радугу капли сохранялись в небе, не изменяясь, радугу можно было бы наблюдать в течение не более 2 ч 48 мин: именно за это время солнце по небосводу проходит дуговой путь в 42°. Но каплям в небе не свойственно долголетие — они испаряются, соединяются и, увеличивая свой размер, опадают. Всё это отражается на радуге — на яркости её цвета, ширине соответствующих световых полос, продолжительности её жизни. Когда капель становится мало, радуга блекнет и исчезает.
Информация о книгах Издательского дома «Интеллект» — на сайте www.id-intellect.ru
