Наблюдая прохождение солнечных лучей из воздуха в спокойную и прозрачную воду, рассматривая предметы в воздухе и под водой, люди познакомились с явлением преломления света на границе двух прозрачных сред. Опустите в стакан с водой чайную ложку. Вам покажется, что ложка сломана, искривлена и что излом совпадает с поверхностью воды. Когда же ложка вынута из воды, вы убедитесь в своей ошибке. Видимость излома на границе двух сред объясняется тем, что лучи, отраженные от подводной части предмета, выходя в воздух, изменяют свое направление, преломляются, а лучи, отраженные от надводной части, не испытывают такого преломления.
Луч Солнца, входящий в комнату через оконное стекло, изменяет свое первоначальное направление дважды. Сначала он преломляется на границе воздух — стекло, в толще стекла идет под углом к своей прежней траектории и, наконец, на границе стекло — воздух подвергается обратному преломлению. В итоге этого двойного поворота луч лишь несколько смещается (разумеется, если стекло не слишком толстое, и обе грани, поверхности его параллельны), не меняя первоначального направления. Поэтому сквозь стекло мы видим предметы там, где они находятся на самом деле.
Зато попытка оценить на глаз глубину реки или озера, расстояние до дна обычно дает ошибочные результаты. Толщина прозрачного слоя здесь несравненно больше, и соответственно больше кажущееся смещение предметов, расположенных на дне. Для глаза, смотрящего прямо вниз, ошибка составляет примерно четверть действительного расстояния: дно кажется нам ближе, чем в действительности.
В силу преломления солнечных лучей в атмосфере мы видим восход светила несколько раньше, а заход — чуть позже, чем это имеет место в действительности. Когда мы видим, что нижний край Солнца коснулся горизонта, на самом деле оно уже зашло.
Первое упоминание о свойстве преломления света на границе двух прозрачных сред содержится в трудах древнегреческого философа Аристотеля (IV век до н. э.). Птолемей (II век н. э.), изучая преломление света небесных светил на границе атмосферы, пришел к неправильному выводу о пропорциональности угла преломления углу падения. Закон преломления света математически был сформулирован в 1630 г. французским физиком и философом Р. Декартом: соотношение углов преломления и падения зависит от состава сред, образующих границу раздела, и определяется формулой sina/sinb = n, где a — угол падения луча; b — угол преломления; n — постоянная величина, характеризующая преломляющие свойства граничащих сред,— показатель преломления.
Законы распространения, отражения и преломления света, составляющие сущность так называемой геометрической оптики, были выведены на основании наблюдений и простых опытов. Но эти законы по существу ничего не говорят о физической природе света, его происхождении, источниках получения.
Зрительные образы характеризуются прежде всего яркостью и цветом. Насыщенность окраски, цвета зависит от примеси белого цвета, который как бы «разбавляет» основной цвет. Но и яркость, и цвет — понятия субъективные. Физический смысл яркости света, если отвлечься от субъективности восприятия, обусловлен интенсивностью излучения энергии светящимся телом, источником — плотностью светового потока, исходящего из единицы поверхности источника. Распространяясь во все стороны, световые лучи попадают на другие поверхности, лишенные собственного излучения, и освещают их. Освещенность поверхности — еще одна объективная физическая характеристика — зависит как от яркости источника света, так и от расстояния до него. Поскольку лучи от источника распространяются по всем направлениям прямолинейно, на поверхность падает тем больше лучей, чем ближе к источнику она располагается. Расчеты и измерения показали, что освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника.
Что касается цвета, то И. Ньютон в 1665—1666 гг. впервые перевел субъективные качества цвета на объективный, точный язык меры, числа, физического закона. Пропустив через отверстие в ставне окна пучок солнечных лучей на трехгранную стеклянную призму, он получил на экране разноцветное, радужное изображение отверстия. Подобные опыты ставились и до Ньютона. Но величие гения в том и состоит, что он умеет по-новому взглянуть на старые, известные многим факты, дать им более глубокое истолкование. Ньютон пришел к выводу, что стеклянная призма разлагает белый солнечный свет на простые составные цвета. Как проверить это предположение? Может быть, выделить у радужного веера призмы один простой луч, например красный, и снова пропустить его через другую призму? Опыт был поставлен, и оказалось, что нового разложения цветов не произошло. Следовательно, выделенные призмой из белого цвета отдельные лучи действительно простые. После смешения разделенных призмой лучей можно снова получить исходный белый цвет. Свой вывод Ньютон сформулировал так: «Белизна и все серые цвета, между белым и черным, могут быть составлены из цветов, и белый солнечный цвет составлен из всех первичных цветов, смешанных в должной пропорции» [И. Ньютон. Лекции по оптике. Цит. по: С. И. Вавилов. Исаак Ньютон. М., Изд-во АН СССР, 1981, с. 84.].
Пока все цветные лучи распространяются одним общим пучком, мы их не различаем, воспринимаем как белый цвет, который кажется нам простым. Но когда они преломляются в стеклянной призме, или в капельках влаги после дождя в атмосфере, или в луже около автомобильной стоянки, покрытой радужной пленкой бензина, каждый цветной луч преломляется по-своему, сильнее или слабее. Призма как бы развертывает компоненты белого луча в виде цветного веера. Это явление в оптике носит название дисперсии.
В веере лучей, выходящих из стеклянной призмы, порядок цветов тот же, что в радуге: красный цвет сменяет оранжевый, желтый, зеленый, далее идет голубой, синий и фиолетовый цвета. Мнемоническая фраза «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» помогает запомнить этот порядок. Из лучей, входящих в состав солнечного света, зеленые, синие и фиолетовые преломляются сильнее, чем красные, оранжевые и желтые. Поэтому первый луч Солнца при восходе зеленый или синий, так же как и последний, прощальный луч заходящего Солнца. Однако зеленый луч виден только при очень чистом и спокойном однородном воздухе, когда вплоть до горизонта отсутствуют конвекционные восходящие токи в атмосфере. Поэтому лучше всего наблюдать зеленый луч, когда Солнце встает из спокойного моря.
Пространственное разделение простых цветов дало в руки ученых первый объективный признак, лежащий в основе восприятия цвета. Другой классический опыт Ньютона раскрыл еще более удивительные свойства света. Когда ученый на стеклянную пластинку помещал линзу с очень небольшой выпуклостью, а затем освещал ее белым светом, вокруг точки соприкосновения линзы с пластинкой появлялось несколько концентрических радужных колец. Еще более удивительную картину он обнаружил после того, как осветил линзу одним из простых лучей (красным, синим и др.). В этом случае вокруг точки соприкосновения линзы со стеклом образовались концентрические светлые (красные, синие) и черные кольца. Чем дальше от центра, тем теснее прилегали кольца друг к другу. Измерив радиусы черных колец, Ньютон установил, что они относятся друг к другу, как квадратные корни из целых четных чисел: 2, 4, 6, 8 и т. д.
В этом опыте удивительным и необъяснимым было наличие черных колец, несмотря на равномерное освещение линзы падающим светом, что давало основание предположить существование какой-то скрытой периодичности свойств светового потока. Необходимым условием появления обнаруженных Ньютоном колец было наличие тонкого зазора между стеклом и линзой. Ньютон рассчитал, что отношение толщин зазора для светлых (красных, синих и др.) и темных (черных) колец соответствует последовательным целым числам (1, 2, 3, 4 и т. д.). Для разных простых лучей ширина колец, так же как и ширина зазора, различна. Последняя может служить лучшей количественной оценкой простого цвета, чем показатель преломления, величина которого зависит от преломляющей среды. Величина, соответствующая ширине первого зазора между стеклом и линзой, получила позднее название длины волны данного простого луча К. Волны лучей видимого света имеют очень малую длину — миллионные доли миллиметра и меньше. Наименьшая она у фиолетовых лучей, наибольшая — у красных. Но об этом подробнее — в специальном разделе, посвященном цвету.
Современник Ньютона астроном Рёмер определил другую характеристику света — его скорость. Согласно расчетам, скорость света в вакууме составляет 300 тыс. км/сек. Самые последние измерения дали для этой важнейшей физической константы значение 299.792.456,2±1,1 м/сек. В космическом пространстве и в пустоте скорость света одинакова для лучей всех длин волн. В веществе скорость света, наоборот, зависит от длины волны. Именно поэтому происходит разложение света Солнца при прохождении через стеклянную призму. Скорость света обратно пропорциональна показателю преломления среды, т. е. в известной степени зависит и от свойств среды.
