Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

ждали – без сомнения, со стаканами портвейна в руках, – они отвлеклись и начали болтать. В результате, когда воздушный шар наконец взорвался с колоссальным грохотом, они были так удивлены, что забыли прислушаться к звуковым нюансам. К счастью, Джеймс Уатт не присутствовал на этой встрече и услышал грохот из своего дома неподалеку. Он отметил, что после первого взрыва шум усилился еще на секунду или около того. Лунное общество пришло к выводу, что гром гремит потому, что звук молнии отражается от близлежащих холмов.

Гром действительно гремит чуть громче из-за отражения от соседних зданий и в силу топографических особенностей местности, но это лишь незначительный аспект этого явления. Чего не смогли сделать «лунатики», так это имитировать удар молнии.

Когда ударяет молния, поток электричества в воздухе создает температуру выше, чем на поверхности Солнца, – она превышает 20 000 °C! Этот перегретый воздух расширяется с такой невероятной скоростью, что поражает окружающий его холодный воздух мощной ударной волной. Поскольку процесс идет на сверхзвуковых скоростях, ударная волна создает звуковой удар. Главное, что упустили Дарвин и его друзья, это то, что генерация звука происходит по всей длине плазменного шнура молнии.

Представьте себе молнию, которая бьет вертикально и ударяет в землю примерно в 2 км от того места, где вы стоите и слушаете. Теперь примем во внимание, что средняя длина молнии составляет 10 км. В этом случае нижняя часть молнии находится всего в 2 км от вас, а верхняя – более чем в 10 км. Если учесть скорость звука, то звуковой удар от основания молнии достигнет ваших ушей всего через 2 с. А шуму от самой верхней части плазменного шнура, если вы вообще сможете услышать его на таком расстоянии, потребуется до 30 с, чтобы до вас добраться. Промежуточный период времени будет заполнен грохотом, исходящим от различных частей молнии между ее низом и верхом.

В природе молния редко бывает такой аккуратной, как наша гипотетическая. Плазменный шнур часто меняет направление, создавая зигзагообразный узор, и середина молнии может оказаться от вас даже дальше, чем вершина. Вполне возможно также, что вам часто доводилось видеть молнию, которая проскакивает между облаками, перемещаясь горизонтально и не ударяясь о землю. Если разряд такого типа проскакивает прямо от вас, то звук от его дальнего конца приходит позже. Все это, вкупе со звуковыми отражениями, усложняет картину того, что вы слышите, и создает раскатистый гром.

С современным пониманием физики мы можем поставить эксперименты Эразма Дарвина и его коллег-«лунатиков» на более высоком уровне. Ясно, что нам понадобится целый ряд воздушных шаров, наполненных взрывчатой смесью, который протянется на километры в небо. В этом случае мы получим подходящий раскат грома, но едва ли это будет безопасный эксперимент.

Моя радуга – не твоя

Первое, что я делаю, когда вижу радугу, это ищу глазами вторую. Кому-то это может показаться жадностью с моей стороны. В конце концов, разве одного такого чуда природы недостаточно? Однако зачем отказывать себе в удовольствии понаблюдать за целым арсеналом оптических явлений, включая отраженную радугу, полосу Александра и даже множественную радугу, если действительно повезет?

Прежде всего стоит изучить основы «радугологии», пусть даже такого слова и не существует. Я его только что придумал, если вам интересно. Чтобы увидеть радугу, необходимы две вещи: солнечный свет и ливень. Вам нет нужды смотреть прямо на солнце, достаточно, чтобы оно освещало область осадков, которую вы можете видеть. Поскольку для этого требуется, чтобы солнце светило вниз под довольно небольшим углом, проще увидеть радугу утром или вечером, а также зимой и весной в течение дня. Кроме того, область дождя должна располагаться прямо перед вами, когда вы стоите спиной к солнцу.

Необходимость столь строгого сочетания солнца и дождя обусловлена тем, что увидеть радугу – это как поставить оптический эксперимент. Свет, падающий на некоторый участок дождя, отражается один раз от задней части дождевых капель и через переднюю их часть возвращается в воздушную среду. Причина, по которой появляются цвета, связана с эффектом преломления света на границе жидкой и воздушной сред. Когда свет переходит из воздуха в воду, он немного замедляется, и это заставляет его слегка менять направление, то есть преломляться. Угол преломления зависит от длины волны, то есть наблюдаемого глазом цвета, причем красный цвет преломляется меньше всего, а фиолетовый – больше всего. Когда свет входит в капли дождя, он преломляется и распадается на разные цвета, и в результате рождается радуга, с красным цветом снаружи дуги и фиолетовым – внутри.

Эти физические законы имеют несколько следствий, которые до сих пор заставляют меня задумываться всякий раз, когда я вижу радугу. Во-первых, то, что вы видите как цельную картинку радуги (та же ситуация с пикселями монитора), на самом деле состоит из миллионов крошечных точек. Радуга складывается из собственных «пикселей», каждый из которых представляет собой отдельную каплю дождя. Это настолько тонкая работа природы, что вы едва ли сможете разглядеть эти капли даже на фотографии с самым высоким разрешением.

Во-вторых, положение радуги на небе зависит от того, где находится наблюдатель. Отражения от задней поверхности каждой дождевой капли достигают его глаза только в том случае, если все углы идеально совпадают. Если наблюдатель сделает шаг в сторону, то увидит свет, отраженный от других капель дождя, и радуга окажется для него уже в другом месте. Следствием этого факта является то, что у каждого из нас своя, уникальная радуга. Бывает и так, что вы видите полную радугу, а кто-то другой, стоящий рядом, только частичную. Более того, каждый из ваших глаз видит собственную радугу. Остановитесь на мгновение, чтобы обдумать это, и в следующий раз, когда появится радуга, закройте сначала левый глаз, а затем правый и попытайтесь заметить разницу.

Удивительно, но явление радуги было довольно полно объяснено уже в конце XIII века. Его исследованием независимо друг от друга и примерно в одно и то же время занимались иранский ученый Камаль аль-Дин аль-Фариси и немецкий монах-доминиканец Теодорих Фрейбургский. Они оба использовали сферические стеклянные колбы, чтобы показать путь, который проходит свет внутри капли дождя, и, предположительно, создавали собственные крошечные радуги.

Еще один человек, имя которого часто упоминают, когда речь заходит о радуге, – это Исаак Ньютон. В середине XVII века люди все еще не понимали, откуда берутся ее цвета. Существовало две теории. Поскольку получить радугу можно было самостоятельно, пропуская свет через призму или сферу, некоторые считали, что это они каким-то образом окрашивают свет.