Поляризоване світло у природі
Людське око дуже чутливе до забарвлення (тобто довжини хвилі) та яскравості світла, але третя характеристика світла, поляризація, йому практично недоступна. Ми страждаємо на «поляризаційну сліпоту».
Щодо цього деякі представники тваринного світу набагато досконаліші за нас. Наприклад, бджоли розрізняють поляризацію світла майже так само добре, як колір чи яскравість. Оскільки поляризоване світло часто зустрічається в природі, їм дано побачити в навколишньому світі щось таке, що людському оку зовсім недоступно.
Людині можна пояснити, що таке поляризація, за допомогою спеціальних світлофільтрів вона може побачити, як змінюється світло, якщо «відняти» від неї поляризацію, але уявити собі картину світу «очима бджоли» ми, мабуть, не можемо (тим більше що зір комах відрізняється від людського та у багатьох інших відносинах).
Поляризація – це орієнтованість коливань світлової хвилі у просторі. Ці коливання перпендикулярні до напрямку руху променя світла. Елементарна світлова частка (квант світла) є хвилею, яку можна порівняти для наочності з хвилею, яка побіжить по канату, якщо, закріпивши один його кінець, інший струсити рукою. Напрям коливань каната може бути різним, дивлячись по тому, в якому напрямку струшувати канат. Так само і напрям коливань хвилі кванта може бути різним. Пучок світла складається з безлічі квантів. Якщо їх коливання різні, таке світло не поляризоване, якщо всі кванти мають абсолютно однакову орієнтацію,світло називають повністю поляризованим. Ступінь поляризації може бути різною залежно від того, яка частка квантів у ньому має однакову орієнтацію коливань.
Існують світлофільтри, що пропускають тільки ту частину світла, хвилі якої орієнтовані певним чином. Якщо через такий фільтр дивитися на поляризоване світло і при цьому повертати фільтр, яскравість світла, що пропускається, буде змінюватися. Вона буде максимальна при збігу напрямку пропускання фільтра з поляризацією світла і мінімальна при повному (на 90°) розбіжності цих напрямків. За допомогою фільтра можна виявити поляризацію, яка перевищує приблизно 10%, а спеціальна апаратура виявляє поляризацію близько 0,1%.
Поляризаційні фільтри, або поляроїди, продаються в магазинах фотоприладдя. Якщо через такий фільтр дивитися на чисте блакитне небо (при хмарності ефект виражений набагато слабше) приблизно в 90 градусах від напрямку Сонця, тобто щоб Сонце було збоку, і при цьому фільтр повертати, то ясно видно, що при деякому положенні фільтра на небі утворюється чорна смуга. Це свідчить про поляризованість світла, що походить від цієї ділянки піднебіння.
Поляроїдний фільтр відкриває нам явище, яке бджоли бачать «простим оком». Але не треба думати, що бджоли бачать ту саму темну смугу на небі. Наше становище можна порівняти зі становищем повного дальтоніка, людини, нездатної бачити кольори. Той, хто розрізняє лише чорне, біле та різні відтінки сірого кольору, міг би, дивлячись на навколишній світ поперемінно через світлофільтри різного кольору, помітити, що картина світу дещо змінюється.
Наприклад, через червоний фільтр інакше виглядав би червоний мак на тлі зеленої трави, через жовтий фільтр стали б сильніше виділятися білі хмариСинє небо – Стокове зображення Але фільтри не допомогли б дальтоніку зрозуміти, як виглядає світ людини із кольоровим зором. Так само, як кольорові фільтри дальтоніку, поляризаційний фільтр може лише підказати нам, що світло має якусь властивість, яка не сприймається оком.
Поляризованість світла, що йде від синього неба, дехто може помітити і простим оком. За даними відомого радянського фізика академіка С.І. Вавілова, цією здатністю мають 25. 30% людей, хоча багато хто з них про це не підозрюють.
При спостереженні поверхні, що випромінює поляризоване світло (наприклад, того ж блакитного неба), такі люди можуть помітити в середині поля зору слабо-жовту смужку із закругленими кінцями.
Ще слабше помітні блакитні цятки в її центрі, по краях. Якщо площина поляризації світла повертається, то повертається жовта смужка. Вона завжди перпендикулярна до напряму світлових коливань. Це так звана фігура Гайдінгера, вона відкрита німецьким фізиком Гайдінгером в 1845 році.
Здатність бачити цю фігуру можна розвивати, якщо хоча б раз пощастить її помітити. Цікаво, що ще в 1855 році, не будучи знайомим зі статтею Гайдінгера, надрукованою за дев'ять років до того в одному німецькому фізичному журналі, Лев Толстой писав («Юність», розділ XXXII): «. я мимоволі залишаю книгу і вдивляюся в розчинені двері балкона, у кучеряві висячі гілки високих беріз, на яких уже заходить вечірня тінь, і в чисте небо, на якому, як дивишся уважно, раптом з'являється ніби пильна жовта пляма і знову зникає. Такою була спостережливість великого письменника.
У неполяризованому світлі (1) коливання електричної та магнітної складової йдуть у самихрізних площинах, які можна звести до двох виділених на цьому малюнку. Але коливань шляхом поширення променя немає (світло на відміну звуку – не поздовжні коливання). У поляризованому світлі (2) виділено одну площину коливань.
У світлі, поляризованому по колу (циркулярно), ця площина закручується у просторі гвинтом (3). Спрощена схема пояснює, чому поляризується відбите світло (4). Як уже сказано, всі існуючі в промені площини коливань можна звести до двох, вони показані стрілками. Одна із стрілок дивиться на нас і умовно видно нам як крапка. Після відображення світла одне з існуючих у ньому напрямів коливань збігається з новим напрямом поширення променя, а електромагнітні коливання неможливо знайти спрямовані вздовж шляху свого поширення.
Фігуру Гайдінгера можна побачити набагато ясніше, якщо дивитися через зелений або синій світлофільтр.
Поляризованість світла, що походить від чистого неба, – лише один із прикладів явищ поляризації в природі. Інший поширений випадок – це поляризованість відбитого світла, відблисків, наприклад, що лежать на поверхні води або скляних вітрин.
Власне, фотографічні поляроїдні фільтри і призначені для того, щоб фотограф міг у разі необхідності усувати ці відблиски, що заважають (наприклад, при зйомці дна неглибокої водойми або фотографуванні картин і музейних експонатів, захищених склом). Дія поляроїдів у цих випадках заснована на тому, що відбите світло в тій чи іншій мірі поляризоване (ступінь поляризації залежить від кута падіння світла і при певному вугіллі, різному для різних речовин, – так званому вугіллі Брюстера – відбите світло поляризоване повністю). Якщо тепер дивитися на відблиск через поляроїдний фільтр, неважко підібрати такийповорот фільтра, при якому відблиск повністю або значною мірою пригнічується.
Застосування поляроїдних фільтрів у протисонячних окулярах або вітровому склі дозволяє прибрати блики, що заважають, сліпучі від поверхні моря або вологого шосе.
Розсіяне світло неба не що інше, як сонячне світло, яке зазнало багаторазового відображення від молекул повітря, що переломилося в краплинках води або крижаних кристалах. Тож у певному напрямі від Сонця він поляризований. Поляризація відбувається не лише при спрямованому відображенні (наприклад, від водної гладі), а й за дифузного. Так, за допомогою поляроїдного фільтра неважко переконатися, що поляризоване світло, відбите від покриття шосе. При цьому діє дивовижна залежність: чим темніша поверхня, тим сильніше поляризоване відбите від неї світло.
Ця залежність отримала назву закону Умова, на ім'я українського фізика, який відкрив її 1905 року. Асфальтове шосе відповідно до закону Умова поляризована сильніше, ніж бетонна, волога – сильніша, ніж суха. Волога поверхня не тільки сильніше блищить, але вона ще й темніша за суху.
Зауважимо, що світло, відбите від поверхні металів (у тому числі від дзеркал – адже кожне дзеркало вкрите тонким шаром металу), не поляризоване. Це з високою провідністю металів, про те, що вони дуже багато вільних електронів. Відображення електромагнітних хвиль від таких поверхонь відбувається інакше, ніж від діелектричних поверхонь, що не проводять.
Поляризація світла піднебіння була відкрита в 1871 (за іншими джерелами навіть в 1809), але докладне теоретичне пояснення цього явища було дано лише в середині нашого століття. Проте, як виявили історики, що вивчали древні скандинавські саги про плавання вікінгів, відважні мореплавці майжетисячу років тому скористалися поляризацією неба для навігації. Зазвичай вони плавали, орієнтуючись по Сонцю, але коли світило було приховано за суцільною хмарністю, що не рідкість у північних широтах, вікінги дивилися на небо через спеціальний «сонячний камінь», який дозволяв побачити на небі темну смужку в 90° від напрямку на Сонце. якщо хмари не надто щільні. Цією смугою можна судити, де знаходиться Сонце. «Сонячний камінь» – мабуть, один із прозорих мінералів, що мають поляризаційні властивості (швидше за все поширений на півночі Європи ісландський шпат), а поява на небі темнішої смуги пояснюється тим, що, хоча там Сонця і не видно, світло неба, що проникає через хмари, залишається певною мірою поляризованим. Кілька років тому, перевіряючи це припущення істориків, льотчик провів невеликий літак з Норвегії до Гренландії, як навігаційний прилад користуючись лише кристалом мінералу кордієриту, що поляризує світло.
Вже говорилося, що багато комах на відміну людини бачать поляризацію світла. Бджоли і мурахи не гірші за вікінги користуються цією своєю здатністю для орієнтування в тих випадках, коли Сонце закрите хмарами. Що надає оку комах таку здатність? Справа в тому, що в оці ссавців (і в тому числі людини) молекули світлочутливого пігменту родопсину розташовані безладно, а в оці комахи ті ж молекули укладені акуратними рядами, орієнтовані в одному напрямку, що і дозволяє їм сильніше реагувати на той світ, коливання якого відповідають площині розміщення молекул. Фігуру Гайдінгера можна бачити тому, що частина нашої сітківки покрита тонкими волокнами, що йдуть паралельно, які частково поляризують світло.
Цікаві поляризаційні ефектиспостерігаються і за рідкісних небесних оптичних явищ, таких, як веселка і гало. Те, що світло веселки сильно поляризоване, виявили 1811 року. Обертаючи поляроїдний фільтр, можна зробити веселку майже невидимою. Поляризоване і світло гало - кругів, що світяться, або дуг, що з'являються іноді навколо Сонця і Місяця. В освіті і веселки і гало поряд із заломленням бере участь відображення світла, а обидва ці процеси, як ми вже знаємо, призводять до поляризації. Поляризовані деякі види полярного сяйва.
Зрештою, слід зазначити, що поляризоване і світло деяких астрономічних об'єктів. Найбільш відомий приклад – крабоподібна туманність у сузір'ї Тельця. Світло, що випускається нею, - це так зване синхротронне випромінювання, що виникає, коли електрони, що швидко летять, гальмуються магнітним полем. Синхротронне випромінювання завжди поляризоване.
Повернувшись на Землю, відзначимо, що деякі види жуків, що мають металевий блиск, перетворюють світло, відбите від їх спинки, на поляризоване по колу. Так називають поляризоване світло, площина поляризації якого закручена у просторі гвинтоподібно, ліворуч чи праворуч. Металевий відблиск спинки такого жука при розгляді через спеціальний фільтр, що виявляє кругову поляризацію, виявляється лівозакрученим. Всі ці жуки відносяться до сімейства скарабеїв, в чому біологічний зміст описаного явища поки що невідомо.
Безкоштовні поштові розсилки щодо саморозвитку. Вже підписалося понад 17 тисяч людей.