Мы начали с субъективных зрительных ощущений света и яркости, а затем, шаг за шагом следуя за историей развития оптики, подошли к современному сложному состоянию объективной науки о свете. Читатель, вероятно, не удовлетворен концом повествования о судьбах развития воззрений на природу света. Загадка оказалась неразгаданной в обычном смысле слова и сделалась еще более сложной, чем казалось во время Ньютона и Ломоносова. Но такова судьба всякой области настоящего знания. Чем ближе мы подходим к истине, тем больше обнаруживается ее сложность и тем яснее ее неисчерпаемость. Непрерывная победоносная война науки за истину, никогда не завершающаяся окончательной победой, имеет, однако, свое неоспоримое оправдание. На пути понимания природы света человек получил микроскопы, телескопы, дальномеры, радио, лучи Рентгена; это исследование помогло овладению энергией атомного ядра. В поисках истины человек безгранично расширяет область своего владения природой. А не в этом ли подлинная задача науки? Мы уверены, что история исследования света, его природы и сущности далеко не закончена; несомненно, что впереди науку ждут новые открытия в этой области, что мы ближе подойдем к истине, а техника обогатится новыми средствами.
Солнце
В середине всего пребывает Солнце. И кто же поместил бы сей светоч в этом прекрасном храме в иное или лучшее место, чем то, откуда он может равно освещать все. Не без основания поэтому одни называют его светочем мира, другие Разумом, иные Управителем, Трисмегист – зримым богом, Электра – Софокла – всевидящим. Итак, как бы восседая на царском троне, Солнце управляет семьей окружающих его звезд.
Коперник
У Козьмы Пруткова есть такое изречение: «Если у тебя спрошено будет: что полезнее, Солнце или месяц? – ответствуй: месяц. Ибо Солнце светит днем, когда и без того светло, а месяц – ночью». Конечно, ни один из читателей не соблазнится этой остроумной чепухой. Днем светло потому, что светит Солнце, и ночью от Луны также есть свет, потому что где-то светит то же Солнце и Луна отражает его лучи на Землю. Загородившись от прямых солнечных лучей козырьком фуражки или зонтиком, мы не мешаем Солнцу освещать воздух, облака, поля и все окружающее. Солнце может быть скрыто облаком, но лучи его, рассеиваясь воздухом, по-прежнему освещают Землю. Но если между Землей и Солнцем на достаточно большом удалении очутится большой непрозрачный предмет, он может не пропустить прямых лучей Солнца в земную атмосферу, свет исчезнет. Так и бывает во время солнечных затмений, когда Земля, Луна и Солнце попадают на одну прямую линию.
Свет, доходящий до человека (разумеем как видимые, так и невидимые лучи), может быть троякого происхождения. На Землю падают прямые солнечные лучи, которые мы стараемся видеть возможно реже. Оси наших глаз обычно направлены горизонтально, и Солнце стоит перед глазами только на восходе и закате. Днем непрерывно к нам в глаза доходят рассеянные солнечные лучи. Небесная лазурь – результат рассеяния солнечных лучей молекулами воздуха. Если рассеивающие частицы очень малы, то более всего рассеиваются лучи с короткими длинами волн (в видимом спектре – синие и фиолетовые). Иначе обстоит дело, если частицы крупные, тогда довольно сильно рассеиваются и более длинные волны. В этом очень легко убедиться, закурив папиросу. Цвет дыма папиросы, выходящего с зажженного конца, голубой, а со стороны мундштука – белый. Объясняется это тем, что частицы дыма, пройдя толщу табака, слипаются, становятся крупными. Точно так же рассеянный свет облаков, состоящих из крупных капелек влаги, белый, в то время как цвет чистого неба голубой. Если бы Земля была без атмосферы, мы видели бы Солнце на совершенно черном небе.
На высоте 20–22 км над Землей из гондолы стратостата наблюдатели видели над собой именно такое, почти черное небо при сияющем Солнце.
Зори, зеленый цвет полей и лесов, белизна снегов, сияние Луны – все это отраженный или рассеянный свет Солнца.
Но помимо прямого и рассеянного солнечного света до нас доходят лучи, от Солнца не зависимые. Всякое нагретое тело излучает свет. Если нагревание очень велико, в этом свете много видимых лучей; если нагревание незначительно, излучаются невидимые инфракрасные лучи, которые можно обнаружить по тепловым их действиям. Кругом нас все нагрето. Если мы и называем одни тела теплыми, другие холодными, то делаем это условно, по отношению к температуре нашего тела. Совершенно охладить тело – это значит остановить движение его частиц. Такое охлаждение возможно только приблизительно при –273° по Цельсию (абсолютный нуль температуры). На Земле же все теплое, и поэтому все светится видимыми или невидимыми лучами; светится и сам человек, светятся и его глаза. В этом смысле древние, приписывавшие глазу «кроткий внутренний огонь», оказались правыми. Энергия этих внутренних лучей глаза такова, что если бы глаз чувствовал их так же, как, положим, зеленые лучи, то его постоянно сопровождало бы и днем и ночью свечение с яркостью примерно в 5 млн свечей.
Нам шлют видимые лучи звезды – удаленные солнца, туманности, иногда небосклон прорезывают блистающие молнии или загораются причудливые северные сияния. В летней листве ночью светятся светляки, а в лесу гнилушки. Молнии вместе с видимым светом излучают и невидимые электромагнитные волны; и в ясную погоду по радио слышны страстные потрескивания в приемнике, мешающие приему, – это электромагнитные атмосферные разряды. Наблюдая эти разряды, А. С. Попов и пришел к открытию радио. За последние годы с несомненностью выяснилось, что Солнце и звезды также излучают радиоволны. Во время Второй мировой войны радиоизлучение Солнца и других светил составляло иногда существенную помеху правильной работе радиолокации. В Земле идет медленный распад некоторых атомов, радиоактивный процесс, сопровождающийся, в частности, излучением световых гамма-лучей с очень короткими волнами.
Помимо этого света, доходящего до человека вследствие естественных процессов на Земле и во вселенной, человек создает себе по мере надобности искусственные источники света. Он зажигает дерево, керосин, свечи, пользуется электрическими лампами накаливания, в которых металлические нити нагреваются электрическим током. В новых, более совершенных люминесцентных лампах электрический ток вызывает сначала разряд в парах ртути, сопровождающийся испусканием ультрафиолетовых лучей. Эти лучи поглощаются затем на стенках стеклянной трубки, покрытой изнутри люминесцирующим составом, и превращаются в видимый свет. Всякая радиостанция – своего рода источник света, посылающий чрезвычайно длинные волны. Для научных и медицинских целей устраиваются трубки Рентгена, излучающие невидимый свет, легко проходящий сквозь человеческое тело.
Рис. 8
Схема спектроскопа (чертеж Ньютона)
Но энергия всех этих светочей, в отдельности и вместе взятых, поистине ничтожна по сравнению с энергией свечения Солнца. Нужно вспомнить, что в конечном итоге, зажигая лампу, заставляя работать радиостанцию или трубку Рентгена, мы потребляем ничтожную часть солнечной энергии, накопленной в виде угля, нефти и дров растениями. Пользуясь энергией ветра, водопадов и водохранилищ, мы снова применяем энергию солнечного света, вызывающую ветер, подымающую воду. Поэтому ясно, что ни один искусственный источник не может конкурировать с Солнцем в смысле общей излучаемой энергии.
Причина, заставляющая человека пользоваться наряду с Солнцем собственными скромными искусственными источниками света не только ночью, но и днем, «сидеть днем с огнем», кроется в том, что во многих случаях важно не только количество световой энергии, но также ее основное качество, ее спектральный состав.
Мы знаем, что впервые Ньютон ввел это важнейшее понятие о спектральном составе света. Опыт Ньютона с призматическим разложением солнечного света стал прообразом всех разнообразных спектроскопов, применявшихся и применяемых в науке. На рисунке 8, сделанном по чертежу самого Ньютона, ясна идея простейшего ньютоновского спектроскопа. Свет падает на узкую щель, за ней помещается линза так, что щель находится почти в фокусе последней. Из линзы пучок света падает на призму, здесь – преломляется и попадает в зрительную трубу, установленную «на бесконечность». В окуляр трубы видно изображение щели спектроскопа в каждом из цветов, из которых состоит исследуемый сложный цвет. Если бы щель была очень широкой, изображения накладывались бы друг на друга, спектр был бы нечистым, цвета в нем были несколько смешанными.
Если перед щелью спектроскопа поставить керосиновую или электрическую лампу, мы увидим в зрительную трубу непрерывное чередование цветов, от красного до фиолетового. Вместо глаза можно поместить фотографическую пластинку, тогда за фиолетовым концом обнаружится короткое ультрафиолетовое продолжение. Но и глаз и пластинка не пригодны для суждения о распределении энергии в спектре; они имеют свои узкие области особенной чувствительности и почти не отвечают на соседние участки. Глаз особенно чувствителен к зеленой части спектра, обыкновенная пластинка – к синей и фиолетовой. Чтобы судить об энергии, лучше всего воспользоваться тепловым прибором, в котором поглощаются полностью любые лучи, превращаясь в тепло (термоэлемент). К несчастью, такие приборы, даже при самом тщательном выполнении, чрезвычайно мало чувствительны по сравнению с глазом или фотографической пластинкой. На рисунке 9 показано распределение энергии, измеренное таким способом для некоторых источников света. По горизонтальной оси отложены длины волн в микронах (напоминаем, что 0,4 µ соответствуют фиолетовому краю видимого спектра, а 0,7 µ – красному краю). По вертикальный оси нанесена энергия в относительных единицах, так что для каждого источника энергия при 0,59 µ приравнена условно к 100. Кривая 2 дает распределение энергии в видимой части солнечного спектра, кривая 1 – в голубом свете неба; мы видим, что благодаря рассеянию максимум энергии перекочевал в синюю часть. Кривая 3 дает распределение энергии в электрической лампочке.
