Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

В некоторых музеях изобразительных искусств при демонстрации картин используется аналогичный оптический эффект. Картины предохраняет стекло или прозрачный пластик, но, если это простое оконное стекло, разглядеть картину трудно из-за мешающих отражений в стекле выставочного зала. Чтобы не отвлекать внимание посетителей музея, стекло делают слегка шероховатым. Почему шероховатость скрывает отражения зала, не искажая изображение на картине?

ОТВЕТ • Если смотреть, например, на каплю через обычное оконное стекло, глаз воспринимает какую-то часть исходящих от капли световых лучей, а мозг интерпретирует их, автоматически продолжая эти лучи обратно и создавая образ капли. Мы видим ясный и четкий образ капли, поскольку воспринимаем лучи, исходящие из очень маленькой области на стекле вдоль линии взора — условной линии, соединяющей точку фиксации взгляда со зрачком.

Если стекло заменить плоским листом пластика, каждый луч, проходящий через пластик, рассеивается на имеющихся в нем неоднородностях и превращается в расходящийся пучок лучей (рис. 6.32б). Теперь глаз воспринимает не только те лучи от капли, которые направлены вдоль линии взора, но и те, которые рассеялись на неоднородностях пластика. Однако мозг по-прежнему меняет на обратное направление всех воспринимаемых лучей, пытаясь выявить, где находится их источник. Если поместить лист пластика близко к капле, пучок лучей, прошедших через пластик, узкий, и образ капли остается четким и ясным. Но если увеличить расстояние от пластика до капли, увеличивается как угловая расходимость пучка лучей, так и область на пластике, световые лучи от которой воспринимает глаз. При этом создается нечеткий образ капли.

Если смотреть через пластиковую ленту на страницу с текстом, прочесть его можно будет, только если удастся различить буквы. Если эта лента находится на расстоянии, превышающем полсантиметра от текста, размытые изображения букв перекрываются настолько, что отличить одну от другой не удается.

Так же обстоит дело и с человеком, принимающим душ за рельефной дверцей кабинки, и с защитным покрытием для картин. В музее посетители, стараясь рассмотреть детали, обычно подходят к картине близко, а предметы в зале находятся достаточно далеко от нее. Поэтому при шероховатом стекле на отражениях предметов, находящихся в зале, детали размыты и неразличимы.

Когда речь заходит о дверях душевых кабинок, часто возникает вопрос, почему из рельефного стекла делают их внешнюю поверхность. Если внутреннюю поверхность сделать рельефной, на нее будет попадать вода. Тогда вода, частично задерживаясь в бороздках и углублениях рельефной поверхности, делает ее почти гладкой, а значит, луч света не расширяется. При этом купающийся будет хорошо виден, даже если он будет стоять далеко от двери.

6.89. Магия преломления

Фокусник заворачивает в газету пробирку, разбивает ее на мелкие кусочки молотком, а затем ссыпает осколки в прозрачный стакан с водой. Пошептав заклинания над стаканом, он призывает осколки собраться вместе и опять сложиться в пробирку. Затем фокусник опускает руку в воду, обнаруживает, что осколки выполнили в точности то, о чем он их просил, и вынимает из стакана пробирку. В чем секрет этого фокуса?

Положите в маленький стакан стеклянный прозрачный шарик и поставьте все вместе на напечатанный текст. Если посмотреть сверху вниз через шарик, текст прочесть не удастся. Как сфокусировать текст, не сдвигая стакана?

ОТВЕТ • Чтобы показать фокус с пробиркой, сначала положите пробирку в воду. Вы видите эту пробирку в воде, поскольку проходящий через воду свет либо отражается, либо преломляется пробиркой. Пробирку можно сделать невидимой, растворив в воде сахар. Когда у раствора сахара в воде и стекла, из которого сделана пробирка, будут одинаковые оптические свойства, то есть, когда сравняются их коэффициенты преломления, свет, проходящий через раствор, будет проходить через стекло, не меняя направление распространения. Значит, зрители не увидят погруженную в раствор пробирку, поскольку именно преломление света выдает ее. То же самое относится и к осколкам второй пробирки, когда вы опускаете их в раствор сахара в воде. Осталось только нащупать в стакане первую пробирку и достать ее оттуда.

Стеклянный шарик так сильно фокусирует свет, идущий от букв, что невозможно получить их четкое изображение. Чтобы сделать фокусировку более слабой, надо налить в стаканчик воды. Коэффициенты преломления воды и стекла примерно равны, поэтому свет не так сильно преломляется, переходя из одной среды в другую. Теперь глаз должным образом сфокусирует исходящие лучи, и текст можно будет разобрать.

6.90. Человек-невидимка и прозрачные животные

Герберт Уэллс написал известный роман о человеке, который стал невидимым (рис. 6.33). Возможно ли это с точки зрения оптики? Будет ли человек невидим, если станет прозрачным, как тонкое стекло? Сможет ли такой человек видеть сам? Почему глаза человека прозрачные, а кожа нет? Могут ли животные быть почти прозрачными?

Рис. 6.33 / Задача 6.90. Человек-невидимка, отдыхающий в своем любимом кресле.

ОТВЕТ • Конечно, невидимым человек быть не может. Даже если бы он был совершенно прозрачным (как тонкое стекло), искривленные части его тела действовали бы как сложные линзы. Если бы такой человек шел впереди вас, вы бы видели происходящее вокруг вас в искаженном виде. Кроме того, от его поверхности, как от поверхности ледяной скульптуры, отражался бы свет. Чтобы избежать искажений и отражений, оптические характеристики такого человека должны быть такими же, как у воздуха. Это значит, что сам человек должен был бы состоять из воздуха, а это требование невыполнимо.

Чтобы человек-невидимка мог видеть, ему необходимо фокусировать свет, а затем частично поглощать его. Поскольку хрусталик глаза должен фокусировать свет, его оптические свойства должны отличаться от оптических свойств воздуха. Поскольку сетчатка глаза должна поглощать свет, по крайней мере, она должна быть не совсем прозрачной. И то и другое вы бы заметили, посмотрев человеку-невидимке в глаза. Допустим, однако, что он фокусирует свет очень маленькими непрозрачными пятнами (см. о камере пинспек в задаче 6.102). Тогда он имеет шанс остаться незамеченным.

Когда видимый свет падает на тело человека и проходит через его кожу, он рассеивается на коллагеновых волокнах, мембранах и пр., то есть там, где на пути света меняются оптические свойства среды. Рассеяние важно, поскольку изменение оптических свойств происходит на расстояниях, превышающих длину волны света. Любое изображение, передаваемое через кожу, в результате рассеяния так зашумлено, что человек непрозрачен для видимого света. Впрочем, существуют методы компьютерного анализа, позволяющие уменьшить этот шум, так что передача изображения через ткани человеческого тела становится частично возможной.