#своё
УСТРОЙСТВО МИРА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ НАУКИ
I. ЧТО ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ. МИКРОМИР И ЕГО ЗАКОНЫ. ЧТО ТАКОЕ СВЕТ.
Приветствую, читатель!
Испокон веков людей увлекал вопрос: как устроен мир вокруг нас. От простых, но не очевидных вещей, вроде колеса за свойствами которого скрывается математика, геометрия и другие науки, человечество проделало путь до самых сложных механизмов, микроэлектроники и квантовых компьютеров.
Путешествие это началось с любопытства, которое породило попытки ответить на фундаментальные вопросы вроде таких, как из чего состоят предметы, что такое вещество и почему у него могут быть разные свойства? Или ещё интереснее, что такое свет? Ток? И так далее. И чем глубже наука проникает в тайны природы, тем больше приходит понимания как сложно и удивительно организовано окружающее нас пространство, настолько неожиданно его устройство и что всё это работает ещё более загадочным и увлекательным образом, чем магия в мире фентезийных книг...
Цель этой статьи рассказать о некоторых интересных процессах, встречающихся практически везде в нашем Мире, дать общее представление о том из чего он сам состоит и немного приподнять занавес тайны над тем, как энергия проявляет себя в материальном мире.
Я не учёный, хоть во времена Антарктических экспедиций, много общался и работал с настоящими учёными, поэтому статья эта не строго научная и если найдутся неточности, не судите строго. Её цель просто дать толчок, рассказав о некоторых любопытных явлениях и вдохновить на дальнейший поиск информации и знаний и проверку гипотез. Вместе с тем, она способна изменить восприятие привычных понятий, позволив взглянуть на Мир под новым углом и дать пищу для размышлений о том, что же мы перед собою видим и так ли обычна привычная действительность.
Главная особенность статьи - большое количество котиков :) и... сравнительно лёгкий стиль изложения, приправленный юмором. Здесь мы окунёмся в природу таких, казалось бы, знакомых, но, если разобраться, удивительных явлений как свет, поймём откуда берутся цвета окружающих предметов, почему они такие разные и найдём ответы на другие “простые” вопросы, которые зачастую заставляют разводить руками многих взрослых. Надеюсь, вам понравится!
А начать мы можем с того, что подумаем из каких же “кирпичиков” строится окружающий нас Мир и вся Вселенная? “Кирпичики” эти, обычно зовут элементарными частицами, а наш привычный мир - это мир достаточно больших предметов, мы называем его макромир и находясь в нём наблюдатель этих частиц не видит. Эти частички настолько маленькие, что их невозможно увидеть даже в мощных электронный микроскоп, поэтому судить о них человек может лишь по косвенным признакам, благодаря изучению наукой которых, мы и знаем об их существовании и свойствах. И сейчас мы можем отправиться в мысленное путешествие вглубь микромира, проникая туда всё дальше и дальше.
Пристегнитесь, мы отправляемся в увлекательное путешествие вглубь материи прямо сейчас! 3… 2… 1… Поехали!
Итак, известно, что всё в Мире, от нашего собственного тела и заканчивая предметами вокруг нас, состоит из вещества, а само оно состоит из молекул. Вещество может быть в трёх состояниях: твёрдом (разные предметы) жидком (например, вода) и газообразном (пар). Эти состояния отличаются друг от друга расстоянием между молекулами вещества, вот прямо как на картинке:
Скажем, клетки, из которых состоят тела всех живых существ хоть и сами по себе очень маленькие, но тоже состоят из разных веществ, а любое вещество, как мы уже поняли, состоит из ещё более мелких частичек - молекул.
Молекулы бывают разные и у каждой есть набор свойств: электрических, оптических, магнитных и, как правило, разница между этими свойствами зависит от их состава, то есть совокупности ещё более мелких, чем молекулы кирпичиков, атомов, из которых молекулы состоят. Атомов в составе молекул может быть два, или больше и это хорошо объясняется в замечательной науке под названием химия.
Если взять любой живой объект нашего мира, например, животное, или человека, то цепочка взаимовложенности будет такой:
1. Само Тело ->
2. Живые Клетки тела, включая клетки внутренних органов ->
3. Молекула ->
(Все клетки состоят из молекул разных веществ):
4. Атом ->
(А все молекулы - из атомов):
5. Элементарные частицы
(Атомы же состоят из элементарных частиц, а сами частицы вращаются вокруг ядра атома на разных орбитах. Ядро тоже “сделано” частиц ещё поменьше - элементарных частиц, Нуклонов, которуе бывают двух видов: Протонов и Нейтронов, о них ещё будет) –>
6. Энергия.
(дальше идут кварки, электроны, нейтрино и другие частицы, которые тоже считаются элементарными и пока считается, что частиц меньше элементарных в природе нет. Зато у науки есть мнение, что если двигаться ещё дальше вглубь этих частиц, на ещё более маленький и низкий уровень, то окажется, что состоят из энергии, а значит, не только излучения такие как тепло и свет, но и все осязаемые, вещи, предметы, да и вообще всё в Мире - это, по сути, энергия разной степени плотности):
Теперь, когда мы всё это представили, вернёмся к Атому, как к одному из самых маленьких “кирпичиков” мироздания. Его первая модель была создана в конце 18 - начале 19 века.
Атомы бывают разные, это зависит от их принадлежности к тому, или иному химическому элементу (об чуть позже).
На древнегреческом атом - означает “неделимый”. Неужели, его никак нельзя разделить? Долгое так и считалось и казалось, что это совершенно невозможно, но в конце 19 века была открыта структура атома и стало ясно, что сам атом всё-таки тоже состоит из более мелких частиц, что у него есть ядро и определённое количество электронов, которые вращаются вокруг этого ядра на своих орбитах. Электроны – это частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд.
Так может неделимо хотя бы ядро атома, спросите вы. Ответ: и снова нет! Даже ядро можно разделить на более мелкие "детали", вот правда некоторые способы расщепления ядер, на практике, очень опасны, потому что могут привести к резкому выбросу энергии и тогда произойдёт примерно то, что на картинке:
Поэтому на практике мы сейчас ядра делить не будем, зато посмотрим из чего же состоит ядро атома в теории.
- Один из компонентов ядра – это протоны, частицы которые в отличие от электронов имеют положительный электрический заряд.
- Второй – это нейтроны и они, как можно понять из названия, нейтральные, то есть своего заряда не имеют. Протоны и нейтроны — это основные составляющие ядра атома, и те и другие ещё называют нуклонами.
- Также есть кое-что, что удерживает протоны и нейтроны в ядре вместе и не даёт им разлететься в разные стороны. В науке это называют силами “сильного взаимодействия”, которые были введены физиками после того, как выяснилось, что ни электромагнитные, ни гравитационные силы не могут объяснить (читай описать) притяжение этих частиц друг к другу. Может их соединяет любовь? (Шутка. Хотя... почему нет?)
- Вообще, в физике ввод новых сущностей и понятий происходит довольно часто, ведь если клетки ещё можно увидеть под микроскопом, то всё что мельче: молекулы, атомы и т.д., глазом увидеть уже невозможно, поэтому узнавать что там может быть дальше и как это работает учёным приходится по разным косвенным признакам. Если какой-то эффект есть, но для него ещё нет понятия, то оно вводится (постулируется). Так работает большинство научных теорий и чем современнее теория, тем больше в ней разного рода сущностей, введённых просто “потому, что надо” и потому, что без них просто не получится двигаться дальше в объяснении явления и моделировании, предсказании его дальнейшего поведения.
Забавно, но каждый протон и нейтрон можно тоже разделить на частицы из которых они состоят - кварки, хотя я думаю, что нам сейчас хватит и атомарного уровня.
Кстати, в одном из фантастических романов, фантаст Сергей Лукьяненко придумал совершенное и очень страшное оружие - атомарный клинок, или меч-одноатомник. Толщина такого клинка составляла всего один атом, что придавало ему уникальные свойства.
Представьте меч, или шпагу, лезвие которой тоньше человеческого волоса. Оно настолько мало, что даже становится невидимым, стоит развернуть клинок лезвием к вам, и снова появляется, если снова чуть развернуть, чтобы наблюдать не толщину лезвия, а его ширину.
Это оружие, что совершенно логично, могло рассечь любой материал, даже самый прочный метал проходя между его структурами легче, чем острый нож режет тёплое масло. Без малейшего сопротивления лезвие проходило сквозь торчащие из земли камни, да и через саму землю и беззвучно рассекало любые валуны, после чего каменная глыба аккуратно разваливалась на части. Забавно, что после того, как помахал таким мечом, нужно было нажать кнопку для его автоматической "заточки", или регенерации атомной структуры, потому что лезвие затупливалось даже от трения об воздух. Вот такое отступление в научную фантастику...
В реальности это выглядело бы примерно так же, только вот современные учёные пока ещё не нашли способа удерживать такую тонкую структуру вместе. Поэтому лезвия современных шпаг и мечей намного толще, самые острые имеют толщину порядка десятков нанометров, то есть десятков–сотен атомов, а массовые стальные лезвия ещё толще, там счёт идёт на сотни атомов, или даже тысячи.
Атом лития – 3 протона, 3 электрона, 4 нейтрона.
Поскольку число протонов и нейтронов не совпадает, такой атом называется изотопом. На картинке - изотоп лития.
Представим, например, атом лития, который в своём нейтральном состоянии имеет 3 протона в ядре и 3 электрона вращающихся на орбите вокруг ядра. Почему же электроны не разлетаются от ядра в разные стороны и не покидают свои орбиты?
Ответ прост: поскольку электрон – это отрицательно заряженная частица, а ядро любого атома состоит из незаряженного нейтрона и положительно заряженного протона, то из-за разницы потенциалов между электроном и протоном (у одной -, а у другой +), между ними возникает притяжение и это притяжение не даёт электрончику улететь далеко от ядра. Чтобы хоть чуть-чуть отодвинуться от своего ядра - перейти на более дальнюю от него орбиту, электрону нужна дополнительная энергия. Иногда он её получает и отодвигается дальше, это происходит, когда в него “врезается” “кусочек света” - фотон, частица света испущенная, например, Солнцем.
Фотон – это частица электромагнитного излучения, а свет, вообще говоря, оно и есть, поэтому в некоторых случаях вместо слова фотон можно говорить “квант света”, или световая частица.
Квант - это минимальная дискретная порция некоторой величины (обычно энергии) или минимальное возбуждение поля.
Пример: квант света - фотон с энергией E=hν.
E - энергия, h - постоянная Планка, фундаментальная константа (то есть, не меняется), ν или nuν (греч. «ню») - частота фотона в герцах (Гц).
Кстати, когда мы говорим свет, всегда имеется в ввиду именно тот отрезок (спектр) электромагнитного излучения, который может воспринимать (видеть) человеческий глаз, а это излучение с длиной волны примерно от 380 нанометров (частота 790 Терагерц) - до 780 нанометров (395 Терагерц).
Можно было бы пуститься в объяснения того, что такое длины волн и их частоты (***см. пояснения в конце статьи), но сейчас достаточно знать, что разные фотоны несут в себе разное количество энергии и чем больше энергии фотона при соприкосновении “проглотит” электрон, тем более энергично, а значит и далеко, он сможет “отпрыгнуть” от ядра атома, встав на более дальнюю орбиту или вообще отправившись в свободное путешествие.
Бывает и так, что электрон просто пропускает фотон, не поглощая его энергию. Это происходит, если энергия фотона слишком мала и электрон тогда может его даже"не заметить".
Бывает и наоборот, энергии у фотона так много, что всю её электрон проглотить поглотить не может чисто физически, поэтому глотает только часть, а оставшееся улетает дальше со светом.
Если же в электрончик непрерывно “врезаются” фотоны, то он постоянно будет перескакивать на более высокие (дальние) орбиты и с каждым таким скачком всё больше и больше будет удаляться от ядра, получив в итоге столько энергии, что протоны ядра атома просто не смогут его больше удерживать. Тогда он сможет “сорваться” со своей орбиты и улететь в самостоятельное путешествие!
Именно так учёные стреляют и электронами куда вздумается, слышали про электронно-лучевую пушку, которая стреляла частицами в кинескопе старых телевизоров, благодаря чему на экране появлялось изображение?
Такой электрон, покинувший отчий дом свою орбиту, называется свободным, а его бывший атом, в котором число положительно заряженных частиц протонов (+) стало больше, чем отрицательно заряженных (-), приобретёт в целом положительный заряд и называется положительно заряженным ионом, или катионом:
Ионы/Катионы, кстати, и ведут себя иначе. Атом имеющий переизбыток протонов (+), испытывает и дефицит электронов (-) и начинает “охотиться” за летящими мимо свободными электронами. Если же таковых рядом не оказалось, то он попытается “отобрать” электрон у соседнего атома, даже если это атом другого вещества. Когда атомы начнут борьбу за электрон и начнут тянуть его каждый к себе, возникнет сила притяжения, которая может проявиться даже между разными веществами:
Помимо катионов есть ещё и анионы, всё то же самое, только наоборот, электронов (-) в ядре больше, чем протонов (+), так что заряд у таких атомов отрицательный:
Катионы и анионы притягиваются друг к другу.
Упрощённо, это можно продемонстрировать известным экспериментом с наэлектризованной расчёской, которая после расчёсывания волос (в этот момент она забирает у волос электроны), начинает притягивать к себе и кусочки бумаги. Можно сказать, что из-за избытка электронов, атомы расчёски становятся отрицательно заряженными (-), а в кусочках бумаги существует большое количество положительно заряженных атомов (+), поэтому их электроны начинают активно притягивать протоны атомов бумаги, пытаясь отобрать их себе. Бумага же протоны просто так не отдаёт и тоже тянет их к себе, но в силу меньшего веса, притягивается к более массивной расчёске, а мы наблюдаем практически феномен левитации. Вот тебе и "Вангардиум Левиоса", только без всякой магии:
На самом деле в этом примере всё несколько сложнее, а именно, кусочки бумаги нейтральны, и заряд в них перераспределяется (поляризуется) под действием электрического поля расчёски, но в целом, принцип справедлив и должен быть понятен.
Поляризация - это когда в нейтральном предмете под действием внешнего электрического поля заряды чуть-чуть разъезжаются: ближняя сторона становится "чуть плюс", дальняя - "чуть минус". Предмет остаётся нейтральным в целом, но у него появляется диполь. Ну а диполь - это "плюс-минус" (или N–S) рядом.
Ещё одна интересная вещь происходит с электроном, когда он переходит на более низкую орбиту. Так тоже бывает и это происходит, когда другой электрон, поглотив энергию фотона, переходит на уровень выше и на более низкой орбите освобождается место:
Поскольку такая орбита является более низкоэнергетической, для того чтобы на неё перейти электрону нужно освободиться от избытка энергии, и он делает это испуская её в виде электромагнитного излучения, например, в инфракрасном спектре, тогда можно сказать, что электрон излучает тепло.
А иногда выделение энергии происходит и в спектре видимого света:
Длина волн излучения - их энергия (образующая и цвет испускаемого света), зависит от разницы в энергии между орбитами.
Интересные факты:
1. Вес всех электронов в атоме не превышает нескольких десятых процента от веса всего атома. Весь вес атома, более 99%, сосредоточен в его ядре, а электроны, в сравнении с ним, почти ничего не весят.
2. В таблице Менделеева атомы химических веществ располагаются в порядке возрастания количества протонов в ядре. Первый в таблице элемент - водород, потому что его атом имеет 1 протон в своём ядре, а последний элемент Унбигексий имеет аж 126 протонов! Это самый тяжёлый элемент в таблице. Количество же нейтронов в ядре, если оно не равно количеству протонов, говорит о том, что атом является определённым изотопом.
3. Все изотопы элементов периодической системы Менделеева, начиная с номера 83 (висмут) – радиоактивны.
4. Радиоактивность атома возникает потому, что в ядре так много протонов и нейтронов и оно настолько большое, что радиус этого ядра больше радиуса сил сильного взаимодействия, которые уже не могут удержать все свои частицы и они начинают разлетаться кто куда излучаясь во все стороны. У каждого элемента есть изотопы с такими вот нестабильными ядрами.
II. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ, ИЛИ КАК ЧАСТИЦА ОДНОВРЕМЕННО МОЖЕТ БЫТЬ ЕЩЁ И ВОЛНОЙ.
ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА МИРА.
В прошлом разделе мы с вами рассмотрели Планетарную модель атома Бора-Резерфорда, но стоит учесть, что это не единственно возможное представление. В этой модели атом является частицей, состоящей из других частиц поменьше, таких как протон, нейтрон и электрон, но некоторые эксперименты достаточно наглядно демонстрируют, что всё отнюдь не так просто, а напротив, намного более сложно интересно. Настолько, что когда об этом узнаёшь - можно просто упасть...
Один из таких необычных экспериментов – опыт Юнга, стал экспериментальным доказательством волновой теории света и демонстрирует парадоксальную природу элементарных частиц. Представьте, как если бы вода могла быть и водой и кубиком льда одновременно! Не можете? Вот и я не могу, а с элементарными частицами всё равно происходит подобная магия.
Суть эксперимента в следующем: у нас есть источник излучения, который может выпустить как одиночный фотон света, так и целый их пучок с одной стороны, и экран-детектор регистрирующий попадания в него выпущенных частиц с другой. Между ними находится ширма не пропускающая свет и все частицы попавшие в ширму до детектора не доходят. Зато в ней есть две параллельные прорези, особенность которых лишь в том, что их ширина их приблизительно равна длине волны испускаемого света.
Выпуская одиночный фотон, проходящий сквозь прорезь, на экране мы регистрируем попадание одиночной частицы в экран-детектор, которое даёт засветку на экране в виде точки. Пока логично? Подождите...
Старые телевизоры, которые я упоминал, так и работали: там электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), по сути, электронная пушка, быстро-быстро стреляла во внутреннюю часть экрана из-за чего на нём разным цветом, загорались точки, что было видно со стороны зрителя. Точки эти образовывали нужную картинку меняющуюся с частотой 25 кадров в секунду, благодаря чему можно было смотреть передачи:
В нашем же эксперименте, когда мы стреляем единичным фотоном, это выглядит как если бы мы выстрелили из пистолета в мишень в тире и пуля оставила бы в ней отверстие. И может показаться, что такой выстрел и засветка в виде маленького пятнышка наглядно демонстрируют нам, что свет является корпускулами (частицами), но не спешите делать выводы, эксперимент ещё не закончен... Далее, мы начинаем обстреливать экран уже не одиночными электронами, а их очередями (пучками) и тут начинается настоящая “магия”... Ведь если свет – это поток частиц, то что мы должны увидеть на экране по завершении эксперимента? Как и в мишени в тире мы должны увидеть множество точечных засветок, НО… ничего подобного не происходит!
Теперь, вместо одиночных попаданий, на экране мы видим целые полосы засветки и не смотря на количество прорезей их уже намного больше чем две! Причём полосы есть даже в тех местах, в которые, с учётом траектории движения, свет попасть никак не мог. Это удивительно!
Полос значительно больше, чем две, что теоретически невозможно, если электрон – это частица, а поток электронов - поток частиц.
Как же это объяснить? Можно представить, что свет - это волна и тогда лишние полосы на экране легко объясняются явлением, которое называется интерференция волн.
Если просто, то интерференция – это взаимодействие волн между собой, которое может проявляться как взаимное их усиление в одних местах из-за наложения волн друг на друга (в таких местах на детекторе мы видим полосы засветки) и взаимное гашение в других из-за того что волны тут друг другу мешают (и в таких местах у нас чёрные полосы, ведь волны туда не приходят).
К тому же, известно, что когда широкая волна сталкивается с препятствием в котором есть узкое место, то она проходит через это место начиная снова расширяться (см. иллюстрация ниже). Такой же эффект мы бы наблюдали даже в случае с морской волной и пирсом в котором есть аналог прорезей.
И вот кажется, что объяснение найдено, но и это ещё не всё.
Всё было бы так только если забыть о результатах первого опыта, где электрон вёл себя как частица, но мы о них помним и поэтому вопросов становится ещё больше, ключевой из них: что тогда есть свет, частица или волна?
Тут возникает парадокс, ведь если свет – это волна, то откуда точечная засветка на экране при выстреле одиночным фотоном, свойственная частице? А если свет - это поток отдельных частиц, то откуда же берутся лишние полосы в тех местах, куда свет попадать никак не может, ведь эта часть поверхности экрана заслонена ширмой?
Есть одна теория, которая пытается объяснить результаты опыта тем, что между множеством частиц из которых состоит пучок, в полёте возникает электромагнитное поле, которое представляет собой волну, и уже эта волна, интерферируя засвечивает экран. В случае же с одиночным выстрелом, фотону не с чем взаимодействовать и электромагнитной волны не возникает. Объяснение любопытное и, казалось бы, разгадка снова близко, но и тут есть момент, который разрушает и эту теорию!
Повторяем опыт следующим образом: теперь стреляем в экран всегда только одиночным фотоном повторяя это очень много раз, но с большими паузами между выстрелами, чтобы никакого взаимодействия и, следственно, поля между частицами не могло возникнуть. Если теория верна, в этот раз мы должны получить ожидаемую нами картину, а именно, “мишень” испещрённую точечными попаданиями отдельных фотонов. Но что же мы видим? Этого снова не происходит! Вместо этого мы видим на экране... что бы вы думали? Да, уже знакомую нам интерференционную картину, которая определяется уравнениями Максвелла и выглядит как несколько полос засветки!
При всём этом эксперимент показывает, что фотон не является и коротким импульсом электромагнитного излучения, об этом очень наглядно говорит эксперимент французских физиков Гранжье, Роже и Аспэ проведённый в 1986 году, который показал, что фотон не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света (его свойства частицы) проявляются так же при фотоэффекте и в эффекте Комптона о которых вы можете прочитать отдельно в Интернете.
Получается, что наряду с демонстрацией волновой интерференции, фотон ведет себя ещё и как частица. К тому же, он может переизлучаться, или же целиком поглощаться объектами, размеры которых намного меньше его длины волны (например, атомными ядрами), а иногда и вообще точечными объектами, такими как электрон. Немыслимо! Но это факт.
Подводя итог выше сказанному, можно сделать только один вывод: фотоны (да и другие частицы, поскольку с электроном и некоторыми другими этот опыт даёт похожие результаты) в одних случаях ведут себя как частицы, а в других – как волны, а может быть даже являются и частицами, и волнами одновременно. Вдумайтесь в это! Хотя вообразить это ещё никому не удавалось, но быть может, вы станете первыми.
Зато теперь так же, как раньше мы говорили о том, что мир состоит из материи, мы можем сказать, что вся эта материя состоит из электромагнитных волн, а значит, по сути, является энергией. Да, даже твёрдый плотный холодный камень - это кусок энергии. А раз так, то что же тогда такое материальный мир?
На рисунке атом поглощает энергию от фотона (получает его энергию) и переходит на более дальнюю от ядра орбиту.
III. ЭМ-ИЗЛУЧЕНИЕ ВИДИМОЕ И НЕВИДИМОЕ
СВЕТ ОТ СОЛНЦА И АТМОСФЕРА (ИЛИ ПОЧЕМУ НЕБО БЫВАЕТ СИНИМ, А СОЛНЦЕ КРАСНЫМ)
Спектр
Солнце излучает определённый спектр электромагнитного излучения от видимого света до света не видимого глазом.
Какая-то часть волн этого излучения, встречаясь с атмосферой, проходит сквозь неё достигая поверхности Земли, в то время как другая часть, например, дальний ультрафиолет - задерживается атмосферой и до поверхности почти не доходит:
Из всех волн, которые всё же доходят, человек способен зрительно воспринять только узкий диапазон электромагнитных колебаний, который известен, как видимый нами свет. Да-да, в обычной жизни мы редко об этом задумываемся, но свет – это электромагнитное излучение, такое же как радиоволны. Вот бы мы умели бы их видеть тоже, интересно, какая бы это была картина? Каково это, видеть излучение улавливаемое радиоприёмником, или исходящее от WiFi роутера?
Сверху мы видим общий спектр электромагнитного излучения, а снизу кусочек этого спектра улавливаемый глазом.
Теперь понятно, что наш глаз может воспринять лишь узкий отрезок всего этого богатства волн, которое всегда находится вокруг нас. Цифры на иллюстрации - это длина волны.
Цвета
Чтобы объяснить почему небо днём бывает синим, солнце жёлтым, а на закате краснеет, придётся зайти немного издалека и узнать о том, что же такое цвета на самом деле.
Возьмём часть ЭМ-излучения попадающую в видимый спектр. Принято, что видимый свет - это 7 основных цветов (остальное – их оттенки), и поскольку свет - это волна, то каждый цвет, как и любое другое излучение, это свет с уникальной длиной волны. Благодаря длине этой волны, глаз и отличает один цвет от другого.
Цифра семь применительно к количеству цветов на самом деле – весьма условна, такое деление предложил Исаак Ньютон, и оно было принято, но поскольку цвета в радуге изменяются плавно и непрерывно, можно было бы выделить сколько угодно промежуточных цветов и как-нибудь их назвать. Если бы так сделали, принятых цветов было бы больше и мы говорили бы, что их не семь, а к примеру, четырнадцать. Например, зелёный цвет можно разбить ещё на два – “тёплый травяной” и “холодный морской”, как в “октавной” системе, которую предложил Освальд Вирт в 20 веке, но которая, почему-то не прижилась.
Если же взять лишь один цвет, то уверенно можно сказать, что он тоже имеет свой спектр и в пределах этого спектра синий, например, всё так же будет считаться синим, но его оттенок будет изменяться, причём каждый новый оттенок будет иметь близкую к эталонному синему, но всё же свою собственную длину волны.
Любопытный антропологический факт... Да-да, науки между собой пересекаются, а антропология - это наука изучающая человека. Люди разных культур могут различать РАЗНОЕ количество оттенков. Например, есть племена в лексиконе которых есть больше ста названий разных цветов. Но если говорить о среднем человеке, можно сказать, что наиболее чувствительным человеческий глаз является к зелёному. Есть теория, что это связано с тем, что человеку в его первобытных условиях существования важно было различать хищников в зелёных зарослях кустов и другой растительности, поэтому чувствительность к оттенкам зелёного была наиболее важна для выживания.
Вернёмся на время к полному видимому спектру. Когда все семь цветов складываются вместе, они, как ни странно, образуют белый цвет. Да, белый цвет, как ни странно - самый богатый, потому что содержит в себе все остальные цвета, кроме чёрного.
Если же идти от цветов с большой длиной волны и низкой частотой к более высокочастотным, то есть с волной короткой, то мы будем двигаться по радуге сверху вниз и цвета будут следовать в таком порядке: Красный, Оранжевый, Желтый, Зелёный, Голубой, Синий, Фиолетовый. Помните детскую считалочку?
Зная её, очень легко запомнить порядок следования цветов в радуге. А чтобы запомнить обратный порядок можно выучить такую:
И обратите внимание ещё на один факт, подтверждающий, что у красного волна длиннее. Красная дуга радуги - внешняя, и она действительно длиннее физически, мы можем видеть это невооружённым взглядом не зная ничего о длинах волн.
Кто что видит
Кстати, а почему из всего излучаемого солнцем спектра мы видим другие цвета, а только свет цветов известных нам? Почему мы не видим, к примеру, сверхкороткие рентгеновские лучи?
Одна из версий: так сложилось потому, что из всего спектра электромагнитных волн доходящих до поверхности нашей планеты, эта часть наиболее встречающаяся, поэтому человеческий глаз приспособился определять именно её. На самом деле это не совсем так и можно возразить, что есть и другие волны доходящие до поверхности Земли, но человеческий глаз эти лучи почему-то не видит. Например, к красному наиболее близок инфракрасный (как бы недо-красный) - это свет, волны которого слишком длинные для восприятия человеческим глазом. А с другой стороны видимого нами спектра, рядом с фиолетовым, находится ультрафиолетовый (сверх-фиолетовый), волны которого настолько короткие, что глаз их тоже не воспринимает, зато мы отлично можем чувствовать ультрафиолет кожей, правда не сразу, а уже после того, как кожа "сгорела" на солнце в жаркий день, а иногда и просто в солнечную погоду. Небо затянутое облаками, кстати, не гарантия, что ты не "сгоришь".
Зато пчёлы прекрасно видят ультрафиолетовый свет, а муравьи видят инфракрасные лучи, то есть тепло излучаемое объектами. Внезапно =)
Природа небесного цвета
Рассеяние Рэлея.
Так почему же небо синее?
Как было сказано, свет Солнца состоит из волн разной длины, которые наш глаз воспринимает как разные цвета. Когда солнечный свет проходит через атмосферу Земли, он сталкивается с молекулами воздуха возбуждая их электроны и рассеивается, другими словами, переизлучается этими молекулами, но уже под другим углом. Возбужденная молекула, тем временем, возвращается в исходное состояние после этого переизлучения.
Рассеивание света — это процесс взаимодействия света с молекулами веществ, из которых состоит атмосфера (в основном азота и кислорода), при котором свет рассеивается в разные стороны. При этом молекулы поглощают и переизлучают свет, преимущественно его коротковолновую часть спектра. Она рассеивается в атмосфере лучше так как размеры молекул азота соизмеримы с длиной волн коротковолнового света (синий и фиолетовый спектр).
Можно сказать, что атмосферный слой выступает здесь как гигантский световой фильтр, который в толще атмосферы активно переизлучает электромагнитные волны относящиеся к синему и фиолетовому цветам. Фиолетовый, кстати, рассеивается даже лучше, чем синий, но мы всё-таки не видим фиолетовое небо, потому что в солнечном спектре синего цвета всё-таки больше, да и глаза наши глаза менее чувствительны к фиолетовому.
Непоглощённый же свет, проходит дальше к поверхности Земли образуя почти белый цвет. Небо мы видим голубым лишь потому, что когда мы смотрим в сторону неба мы смотрим на свет, который был рассеян под углом и именно этот свет достигает в этот момент наших глаз.
Когда же мы смотрим на объекты на Земле, то мы воспринимаем отражённый от них свет, который изначально "прошил" атмосферу почти по прямой, сохраняя весь свой спектр и все цвета, которые как мы знаем, в сложенном вместе состоянии образуют белый. Именно поэтому белый лист бумаги остаётся белым, а солнечный диск над головой выглядит белёсым.
Какой цвет горячее?
Тем же явлением - поглощением световой энергии электронами вещества, объясняется и то, что каждый освещённый предмет имеет свой цвет и то, что на солнечном свету тёмные поверхности нагреваются быстрее, чем светлые. Предположим, жарким летним днём под палящим солнцем стоят два одинаковых автомобиля, только один покрашен в чёрный цвет, а другой в белый. Почему капот чёрного авто всегда будет горячее?
Чтобы ответить на этот вопрос, снова спускаемся на микроуровень и видим атомы из которых состоит краска автомобиля. Мы знаем, что вокруг ядер атомов всегда вращаются электроны. В них “врезаются” фотоны света и электроны эти поглощают свет перескакивая на более высокие орбиты, а возвращаясь на более низкие - излучают его в разных спектрах. Электроны материалов обоих цветов поглощают энергию практически всего приходящего спектра излучения, но по закону сохранения энергии “сколько частица получила энергии - столько же она должна отдать”, это работает и для чёрного, и для белого авто. Но электроны чёрного, возвращаясь на более низкие орбиты, отдают эту энергию в инфракрасном диапазоне (а мы с вами знаем, что ИК-диапазон – это тепло и есть). Поверхность же белого автомобиля тоже отдаёт энергию, но лишь небольшая её часть уходит в тепловой спектр, зато большая излучается как есть, в том же спектре в каком и была поглощена, поэтому мы видим всё тот же белый цвет. Этим объясняется высокая отражающая способность белых поверхностей и высокая поглощающая способность чёрных.
Цвет поверхности — это результат того, какие длины волн света она отражает. Чёрная поверхность отражает очень мало света в видимом спектре (поэтому и выглядит чёрной), а белая отражает почти всё (поэтому кажется белой).
Если же мы возьмём, к примеру, тёмно-синий цвет, то большая часть энергии поглощённой его электронами будет излучена в виде тепла (как и в примере с чёрным), а остальная - будет переведена в свет синего спектра (так как если убрать часть спектра переведённую в тепло из всего спектра радуги, то получится, как раз, синий цвет). Другой материал переведёт в тепло и переизлучит в ИК какую-то другую часть спектра, а оставшаяся - отразится от поверхности, преобразовавшись в новый цвет, к примеру, зелёный, или жёлтый. Это объясняет и то, почему цвета предметов выглядят по-разному в разном освещении: источник света может излучать разные длины волн (то есть цвета), что влияет на то, какие длины волн отражаются от предмета и каким он выглядит для нас.
Ещё одна любопытная мысль: цвета не существует, во всяком случае, в нашем привычном понимании. То, что мы видим, "придумано" нашим мозгом, потому что то КАК мы видим цвета - определяется им. Когда свет попадает в глаз, он воспринимается сетчаткой, где есть специальные фоторецепторы - колбочки трёх типов, чувствительные в основном к красной, зелёной и синей областям спектра. Мозг сравнивает степень их возбуждения и на основе этого формирует восприятие любых других цветов. Дальше это переводится в электрические импульсы с разными свойствами, которые достигают мозга и вот именно их он и интерпретирует, "показывая" нам цвет в нашей голове. Так что то, как мы видим цвета - это не реальность, а лишь наш способ их видеть, точнее способ нашего мозга нам их показать. На самом деле, мы не знаем какие они, можно сказать, что это своего рода "плод нашего воображения", попытка мозга представить электро-магнитную волну. Подумайте об этом...
Один мой друг, Александр, работает с электронными микроскопами. В таких устройствах для передачи информации используется уже не свет, а электронный луч, который "щупает" сверх малые, манометрические структуры, которые уже не может увидеть не только наш глаз, но даже мощный обычный микроскоп.
Так вот, там уже нет света. Длинна видимой волны - от 400 нанометров (нм), а то что "щупает" такой микроскоп гораздо меньше длины этой волны, 5-10 нм. Тем не менее, когда испущенные электроны отталкиваются от таких структур, после программных преобразований, на экране, мы получаем поверхность "рассматриваемого" объекта. И такие изображения всегда чёрно-белые потому, что на этом уровне светового излучения больше нет, как не существует там и понятия свет и там мы попадаем в мир, где нет цвета.
Вот ссылка на сайт, где можно посмотреть что "видит" электронный микроскоп: https://petapixelproject.com/index.php
Вот тут, например, можно рассмотреть жука-долгоносика (Order Coleoptera, Weevil), снятого с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM): https://petapixelproject.com/mosaics/app/petabbv/?data=../../museumofnature/weevil/side_75nm/data/projectdata.js&introduce=1
Любопытно, что если смотреть в микроскоп, то электроны просто пройдут сквозь жука, или даже могут его повредить. Поэтому чтобы он отражал их и прибор смог уловить поток составив для нас изображение, его поместили в специальную камеру, где испаряется металл, например золото, палладий, или платина. Образец покрывается этим металлом (тонкий-тонкий слой, несколько нанометров) и только тогда он начинает отражать, становясь для электронов непрозрачным. После этого образец можно вот так "разглядывать".
Если вдруг не открылся сайт, то вот видео: https://dzen.ru/b/aJpNbuWKsw0Fim6_
Тайна отражения
А что же такое, отражение в зеркале?
Отражение света - это явление, при котором световые волны (или фотоны) изменяют направление своего распространения при взаимодействии с поверхностью. Его физическая природа объясняется взаимодействием электромагнитной волны с атомами и электронами в материале.
Электрическое поле фотона вызывает движение свободных электронов в металле (зеркале), что приводит к созданию вторичного излучения.
Так происходит потому, что зеркало состоит из атомов, в которых электроны находятся в определённых энергетических состояниях и когда фотон достигает поверхности зеркала, его электромагнитное поле возбуждает свободные электроны (или квазисвободные, в металлах). Эти электроны начинают колебаться с той же частотой, что и падающий свет, поэтому такие колеблющиеся электроны переизлучают световую волну и формируют новый отражённый луч. Для зеркальных поверхностей, где атомы и электроны распределены равномерно и поверхность гладкая, на уровне длины волны света, отражённая волна формируется в соответствии с законом отражения: угол падения равен углу отражения, что на макроуровне создаёт эффект когерентного (направленного) отражения, которое мы зовём зеркальным.
Ну а там, где поверхность матовая, напротив, происходит рассеяние светита и мы видим такие поверхности соответствующим образом.
Цвет Солнца и преломление
Вот мы и добрались до Солнца и его цвета. Сейчас, когда мы уже знаем многое, давайте ответим и на вопрос, почему с изменением времени суток цвет солнца тоже меняется и оно из жёлтого становится сначала оранжевым, а потом и вовсе приобретает красные оттенки?
Дело в том, что пока солнце высоко, его свет входит в атмосферу под углом близким к прямому и проходит наиболее короткий путь, “прошивая” её насквозь. При этом углы его преломления (отклонение луча света от его первоначального направления) небольшие, почему он и остаётся практически белым. Само же отклонение, хоть и незначительное, связано с тем, что из среды с меньшей плотностью свет попадает в среду с более высокой плотностью, а на границе разных сред возникает всегда возникает преломление и угол отклонения.
На закате же, картина меняется: свет достигает атмосферы под острым углом, почти по касательной и атмосфера, работая как капля воды, или как призма, отклоняет лучи света вниз, расщепляя белый луч на весь его спектр, то есть на составляющие его цвета радуги, вот так:
По той же причине - причине преломления света, мы видим и радугу в небе. В атмосфере в роли призмы выступают мелкие капельки воды (дождя, или тумана). Белый солнечный свет преломляется в них и красный цвет, который имеет большую длину волны отклоняется меньше всего, оранжевый чуть сильнее, жёлтый ещё сильнее и так вплоть до фиолетового, который отклоняется очень сильно, ведь его длина волны самая короткая. А раз у каждого цвета свой угол отклонения, цвета расходятся, и мы начинаем видеть их отдельно друг от друга, что образует радугу:
Такое же поведение цветов мы видим и на картинке с призмой, посмотрите какое сильное отклонение у фиолетового и синего и насколько оно меньше у красного. Так же свет ведёт себя и на закате, но угол более острый, потому одни цвета отклоняются сильно и не доходят до наблюдателя, а вот “длинный” красный отклоняется меньше всего и легко достигает наших глаз наблюдающих закат солнца.
Оранжевый и жёлтый - тоже достаточно длинны. Их волны хоть и немного короче, чем у красного цвета, но они тоже могут достигать наших зрительных сенсоров (глаз наблюдателя), если солнце ещё не слишком низко.
Не знаю к чему Луна на этой картинке, но если мы представим, что слева на ней находится солнце, то тоже увидим, что красный проходит дальше, а остальные цвета “втыкаются” в землю не доходя до нас. Вот под такими примерно углами падают солнечные лучи на землю:
В завершение, ещё один любопытный факт о цвете заката: большое количество аэрозоля (маленьких частичек воды, или пыли в атмосфере) делает свет менее интенсивным и поскольку до наблюдателя доходит меньше света в принципе, цвет солнца может стать багрово красным.
Надеюсь, вам было интересно ;)
Автор: ThePolarMan
Кандидат на то, чтобы вспомнить “как оно там всё устроено” (с)
Продолжение следует...
Сноски:
*Длина волны — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе.
** Фаза — период, ступень, этап в развитии какого-либо явления. В теории колебаний и волн и в электротехнике.
*** Частота - количество полных колебаний электрического и магнитного полей за одну секунду.
История изменений:
- Редактирование 11/08/2025 - стиль улучшен ещё раз, некоторые обороты упрощены, добавлены некоторые любопытные факты. В общем, стоит прочесть заново :)
- Редактирование 7/01/2025 - добавлен ряд моментов, немного улучшен стиль.
- Редактирование 8/01/2025 - добавлен раздел про природу отражения. Структура и форматирование дополнительно выровнены.
