Все дети задают этот вопрос, а потом становятся взрослыми и… продолжают его задавать. Сегодня мы ответим на него, постараемся максимально простыми словами.
Простой непростой ответ
Все, что мы видим, состоит из невообразимо маленьких частиц с разными свойствами. Свет – не исключение. Причем частицы света ведут себя как волны.
«Частицы света ведут себя как волны», что это значит?
Это означает, что при движении частица колеблется, причем не скачет из одной позиции в другую, а будто находится одновременно во всех местах, в которых происходит колебание. Расстояние между крайними позициями, в пределах которых колеблется частица-волна, называют длиной волны.
Это, конечно, очень грубое упрощение сложных квантовых явлений, но пока что такого объяснения нам хватит.
У частиц света с разной энергией (=разной частотой колебаний) – разная длина волны. От длины волны зависит, можем ли мы видеть этот свет и какой у него цвет.
Солнечный свет – белый, так в нем частицы всех цветов накладываются друг на друга. Но как только частицы света, выпущенные Солнцем, попадают в верхние слои атмосферы Земли, их встречают частицы нашего воздуха, состоящие в основном из азота и кислорода.
Большая часть видимого света почти не замечает воздуха и свободно падает нам в глаза и вокруг нас. Но некоторые – в частности, синие частицы – имеют такую длину волны, которая заставляет их более заметно взаимодействовать с частицами воздуха.
Происходит рассеяние солнечного света: молекулы воздуха поглощают часть энергии синих частиц света и сами начинают излучать синий свет. Причем не в каком-то одном направлении, а вокруг.
Как свет взаимодействует с воздухом
Воздух состоит из молекул, а молекулы воздуха – в основном из атомов азота и кислорода. У каждого атома в молекуле есть ядро и собственные частицы – электроны, которые образуют «облако» вокруг ядра атома.
Эти электронные облака имеют собственную частоту колебаний – результат действия стабилизирующих сил, которые держат молекулу вместе и не дают частицам разлететься.
Если частота световой волны, которая проходит через молекулу воздуха, близка к частоте собственных колебаний атома в молекуле, случается резонанс – электронные облака начинают колебаться сильнее.
Для описания силы этого эффекта не нужно знать квантовую механику – достаточно второго закона Ньютона: от силы воздействия зависит, какое ускорение получит объект. Сила здесь – световая волна, объект – облако электронов. Ускорение при этом – сила колебаний электронного облака.
Свечение происходит в результате ускорения электронных облаков. Чем ближе частота света и резонансная частота атома друг к другу, тем сильнее ускорение и интенсивнее свечение. У атомов азота и кислорода резонансная частота как раз близка к частоте фиолетовых и синих световых волн, поэтому и рассеяние в небе происходит в основном на синих и фиолетовых частотах.
Другими словами, воздух, которым мы дышим, как бы «забирает» синий из солнечного света и сам светится синим по всему небу. Белый свет, лишенный своей синей составляющей, кажется нам желтоватым – поэтому Солнце часто рисуют желтым.
Почему небо НЕ голубое
Полное название явления, которое заставляет дневной воздух светиться синим, – Рэлеевское рассеяние.
На закате и рассвете положение Солнца сдвигается к горизонту, поэтому свету, прежде чем добраться до наших глаз, приходится больше взаимодействовать с атмосферой, чем днем. Больше взаимодействия света с воздухом – сильнее рассеяние. Воздух начинает «забирать» больше цветов, поэтому небо кажется уже красным: частицы с «красной» длиной волны доминируют, так как они рассеиваются меньше других.
Но это лишь часть ответа. Правда в том, что рассеиваются не только синие частицы – вообще, рассеиваться могут частицы всех видимых цветов. Причем больше всего в небе рассеиваются даже не синие, а фиолетовые частицы!
Но почему же небо синее, а не фиолетовое?
Тут уже дело в наших глазах. Объективно цветов не существует – есть только длина волны, которую наши глаза интерпретируют как определенный цвет.
«Главных» цветов для наших глаз только три – красный, зеленый и синий. В глазах есть три рецептора (их называют колбочки), по одному для каждого из этих цветов. Все остальные цвета рождаются из сочетаний этих трех.
Человеческий глаз хорошо различает фиолетовый, если это сочетание синего и красного (то есть много «синих» и «красных» частиц и мало «зеленых»). Но если это «настоящий», монохромный фиолетовый свет, то есть состоит в основном из частиц с «фиолетовой» длиной волны, начинаются проблемы. Монохромный фиолетовый находится на границе возможностей наших глаз.
Если бы глаза были устроены чуть иначе, мы бы видели небо фиолетовым. Но в ходе эволюции оказалось, что для выживания цветов нам хватает, поэтому «фиолетовые» частицы мы почти не замечаем.
В итоге небо кажется нам синим. Если совсем корректно, беловато-синим – как мы упомянули выше, рассеиваются частицы всего видимого света, просто по-разному.
