Діти часто задають прості запитання, які змушують задуматися, чи дійсно ви розумієте свій предмет. Моїй молодий знайомий на ім'я Коллін цікавився, чому кольори веселки завжди в одному порядку - червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, синій, індиго, фіолетовий. Чому вони не змішалися?
Знайома послідовність фіксується у відомому Рой Г. Бів абревіатура, яка описує послідовність кольорів веселки, починаючи з червоного, який має найдовшу довжину хвилі, і закінчується фіолетовим, найкоротшим. Довжина хвилі - відстань між двома послідовними гребенами хвилі - та частотою, кількість хвиль світла, які щосекундно проходять задану точку, визначають колір світла.
Клітини конуса нашої сітківки реагують на довжину хвилі світла від 650 нанометрів (червоний) до 400 (фіолетовий). А нанометр дорівнює одній мільярдній частині метра. Зважаючи на те, що волосся людини шириною 80 000-100 000 нанометрів, видимі світлові хвилі справді є крихітними речами.
То чому Рой Г. Бів, а не Роб Г. Айві? Коли світло проходить через вакуум, він робить це по прямій лінії без відхилення при максимальній швидкості 186 000 миль в секунду (300 000 км / сек). З цією швидкістю найшвидший з відомих у Всесвіті, як описано у Ейнштейна Спеціальна теорія відносності, світло, що рухається від екрана комп'ютера до ваших очей, займає лише приблизно 1/1 000 000 000 секунди. Чорт швидко.
Але коли ми дивимось за межі екрана у великий, широкий всесвіт, світло, здається, сповільнюється, повзаючи, витрачаючи всі 4,4 години лише на те, щоб дістатися до Плутона і 25 000 років пролетіти через чорну діру в центрі галактики Чумацький Шлях. Хіба не щось швидше? Ейнштейн відповів би чітко "Ні!"
Одне з найцікавіших властивостей світла - це те, що він змінює швидкість залежно від середовища, через який він подорожує. Хоча швидкість променя у повітрі майже така сама, як у вакуумі, "більш товсті" середовища значно сповільнюють його. Однією з найвідоміших є вода. Коли світло переходить з повітря у воду, скажімо, крапля дощу, його швидкість падає до 140 430 миль в секунду (226 000 км / сек). Скло затримує промені світла до 124,275 миль / секунду, а атоми вуглецю, що входять до алмазу, скорочують його швидкість до всього 77 670 миль / секунду.
Чому світло сповільнюється трохи складно, але так цікаво, давайте трохи опишемо процес. Світло, що надходить у воду, негайно поглинається атомами кисню та водню, внаслідок чого їх електрони миттєво вібрують, перш ніж вони випромінюються як світло. Знову вільний, тепер промінь рухається далі, поки він не розбивається на більше атомів, їхні електрони вібрують і знову передаються. І знову. І знову.
Як і складальна лінія, цикл поглинання і повторного спадіння триває до тих пір, поки промінь не вийде з краплі. Навіть незважаючи на те, що кожен фотон (або хвиля - ваш вибір) світла рухається зі швидкістю вакууму світла у порожнечах між атомами, хвилинні затримки часу під час процесу поглинання та повторного випромінювання збільшуються, щоб спричинити сповільнення чистої швидкості світлового променя . Коли він нарешті залишає краплю, він відновляє свою нормальну швидкість через повітряне повітря.
Повернемось тепер до веселок. Коли світло переходить від одного середовища до іншого і його швидкість падає, воно також стає зігнутим або заломлюється. Налийте олівець у склянку, наполовину наповнену водою, і ви побачите, що я маю на увазі.
До цього моменту ми говорили лише про біле світло, але, як ми всі дізналися в елементарній науці, сер Ісаак Ньютон провів експерименти з призмами в кінці 1600-х років і виявив, що біле світло складається з усіх кольорів веселки. Не дивно, що кожен з цих кольорів рухається з трохи різною швидкістю по краплі води. Червоне світло лише слабко взаємодіє з електронами атомів і переломлюється та сповільнюється найменше. Фіолетове світло коротшої довжини хвилі сильніше взаємодіє з електронами і зазнає більшого ступеня заломлення та уповільнення.
Веселки утворюються, коли мільярди крапель води діють як мініатюрні призми і заломлюють сонячне світло. Фіолетовий (найбільш заломлений) проявляється внизу або внутрішньому краї дуги. Помаранчевий і жовтий заломлюються трохи менше, ніж фіолетовий, і займають середину веселки. По зовнішньому краю дуги з’являється червоне світло, найменше впливає на заломлення.
Оскільки їх швидкість через воду (та інші носії) є заданою властивістю світла, і оскільки швидкість визначає, наскільки кожен з них зігнутий, переходячи з повітря у воду, вони завжди падають на рядок як Рой Г. Бів. Або зворотний порядок, якщо світловий промінь відбиваєтьсядвічі всередину краплі дощу перед виходом, але відношення кольору до кольору завжди зберігається. Природа не може і не може випадково змішати схему. Як сказала Скотті з "Зоряного шляху": "Ви не можете змінити закони фізики!"
Отже, щоб відповісти на початкове запитання Колліна, кольори світла завжди залишаються в одному порядку, оскільки кожен рухається з різною швидкістю, коли переломлюється під кутом через краплі дощу чи призми.
Мало того, що світло змінює свою швидкість, коли він потрапляє в нове середовище, змінюється і його довжина хвилі, але частота залишається такою ж. Хоча довжина хвилі може бути корисним способом опису кольорів світла в одному середовищі (наприклад, повітря), воно не працює, коли світло переходить від одного середовища до іншого. Для цього ми розраховуємо на його частоту або на кількість хвиль кольорового світла, що пропускають задану точку в секунду.
Фіолетовий світло високої частоти тріскає 790 трлн хвиль в секунду (цикли в секунду) проти 390 трлн. Цікаво, що чим вища частота, тим більше енергії має певний аромат світла, одна з причин, чому УФ дасть вам сонячний опік, а червоне світло не буде.
Коли промінь сонячного світла потрапляє в краплину дощу, відстань між кожним наступним гребенем світлової хвилі зменшується, скорочуючи довжину хвилі променя. Це може змусити вас задуматися, що цей колір повинен набувати «більш світлий» колір, коли він проходить через краплі дощу. Це не тому, що частота залишається однаковою
Ми вимірюємо частоту, ділимо кількість гребенів хвилі, що проходять крапку на одиницю часу. Додатковий час, необхідний для подорожі по краплі, акуратно скасовує скорочення довжини хвилі, спричинене падінням швидкості променя, зберігаючи частоту променя і, таким чином, колір. Клацніть ТУТ для подальшого пояснення.
Чому призми / краплі дощу згинаються і розділяють світло
Перш ніж ми завершимо свою роботу, залишається без відповіді питання, що лоскоче в задній частині нашого розуму. Чому світло згинається в першу чергу, коли воно світиться через воду або скло? Чому б просто не пройти прямо? Що ж, світло проходить прямо, якщо це перпендикулярний до середовища. Тільки якщо він потрапить під кутом збоку, він зігнутиметься. Це схоже на перегляд вхідної океанської хвилі, що загинається навколо скелі. Для приємного візуального пояснення рекомендую відмінне коротке відео вище.
О, і Коллін, дякую за це питання приятелю!
