Неужели самая светлая часть тени у неё в центре? [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
[музыка]
Где самая темная часть у тени? Очевидно, можно предположить, что ближе к центру. Если отодвинуть предмет подальше от стены и присмотреться, вы заметите, что тень размывается, ее края становятся светлее.
Известно, что свет огибает препятствие. Это явление называется дифракцией. Может, граница тени размывается именно из-за дифракции? Вообще-то нет, ближе границы тень святые, потому что большинство источников света, включая солнце, не являются точечными.
Свет, который исходит с противоположных точек диаметра солнца, падает подставка разными углами, из-за чего тень от объектов ближе к краям теряет четкость. Дифракция ни при чем, хотя она и может играть важную роль в образовании тени.
Что, кстати, около 200 лет назад стало предметом ожесточенных споров. В 1818 году французская академия наук объявила конкурс на лучшее объяснение дифракции. Френель выступил с предположением, что свет является волновым явлением и, как любая обычная волна, способен огибать преграды.
Но в комиссии заседал Симон Пуассон, жесткий противник волновой теории, который стоял за Ньютоном и полагал, что свет — это поток частиц. Чтобы доказать абсурдность предложенной Френель им волновой теории, он указал на неизбежный вывод из нее: в самом центре тени, который отбрасывает круглый объект, должно образоваться светлое пятно. Это пятно должно быть таким ярким, как будто предмет вообще не отбрасывает тени.
Пуассон считал, что это нелепость. Но зададимся вопросом: если у тени такое пятно, правда ли, что самое светлое место тени у нее в центре? И чтобы это выяснить, обратимся к эксперименту.
Сперва нужно найти какие-то круглые преграды. Я решил выбрать сферы — пару стеклянных шариков и маленьких круглых магнитов. Мощный источник света и большое расстояние до экрана нам обеспечит этот пикционный зал с проектором.
Теперь нужно сделать маленькое отверстие, через которое будет проходить свет. Возьмем шурупы и проделаем дыру в этом листе. Отверстие должно быть совсем небольшим, чтобы световые волны оказались в фазе. Если направим свет через это отверстие, то всё должно получиться. И вот размещаю сферу перед проектом.
Так, выключите свет. Отлично, не вижу светлого пятна, да и вообще ничего не вижу. Затем я включил фонарик на телефоне и посвятил им на шарик — и опять ничего не увидел в середине. Ничего.
Пуассон считал, что если свет огибает круглый или сферический объект, благодаря тому что центр тени равноудален от его крайних точек, волны наложатся друг на друга в некоторой точке. В результате интерференции мы увидим на месте этой точке яркое пятно.
Я решил посмотреть, что получится с магнитами. Я взял ряд магнитных шариков. Странно, кажется, я что-то вижу! Видите? В центре, а тени нижнего шарика — нет. Нет, мне кажется в центре каждой тени заметно пятно света.
Не знаю, может, мне уже мерещится всякое, а я просто смотрю и пытаюсь увидеть то, что мне хочется. Вот непрозрачный шарик, ровный и круглый. Сейчас я положу его, и, если теперь настроить фокус, как видите, тут есть светлая точка прямо в центре тени от шарика. И не плохо видно! Но что-то во всем этом меня смущает.
Если вы в чем-нибудь слишком сильно уверены, всегда стоит изо всех сил пытаться это опровергнуть. А что если положить пальцы на края шарика, чтобы его форма стала менее ровной? Поглядите!
А вот это уже настораживает! Светлое пятно все еще можно увидеть, хотя тень заметно изменилась. Видно, почему в это место падает свет. Как выяснилось, дело в том, что лучи отражались от поверхности чашки, а затем от этой линзы, затем от шарика, а потом снова проходили через линзу и попадали на стену.
В итоге мне пришлось взяться залазим. Сначала я не хотел этого делать. Мы повторяем опыт 19 века! А тогда лазеров не было. Вообще-то Пуассон не проводил никакого эксперимента, считал, что это и не нужно.
Сама мысль о светлом пятне в центре тени казалась ему абсурдной. Он не стал проводить опыт, и Френель эксперимент в итоге поставил другой член комиссии — Франсуа А. Рогой. В результате увидел примерно то же, что видел и я.
И так, я посвятил лазером через рассеивающую линзу, и луч от лазера попал на шарик, расположенный на катушке скотча. На стене мы видим то, что и ожидали — собственно, тень от нашего шарика. Но если выключить свет, вот она — яркая точка в самом центре тени. Значит, самая светлая часть тени и правда в середине, если, конечно, эта тень от круга или сферического объекта.
Иногда этот эффект называют пятно Марага по фамилии ученого, который обнаружил его в результате эксперимента. Иногда говорят пятно Френеля, который разработал теорию, но чаще светящуюся точку называют пятном Пуассона.
Это суровое напоминание о том, что в историю по твоим именем могут войти не только великие достижения, но и великие ошибки. В повседневной жизни мы по многим причинам не можем увидеть пятно Пуассона, в частности, потому что в мире довольно мало идеально круглых предметов.
Да и к тому же даже мельчайшие неровности на поверхности круглого объекта совершенно разрушают этот эффект. А еще большинство источников света не когерентны, то есть фазы их волн, максимумы и минимумы, не совпадают.
Если вы подумали, что в обычной жизни пятно Пуассона вовсе невозможно увидеть, то вы не правы. Для этого понадобится яркий источник рассеянного света — люминесцентная лампа или ясное небо.
Если посмотреть на такой источник, перед глазами начнут плавать маленькие полупрозрачные мушки. Они появляются из-за мелких частичек, которые плавают в стекловидном теле глаза. Эти частички бывают самых разных форм, но есть среди них и сферы.
Они отбрасывают тень на сетчатку и прямо в центре такой тени будет пятно Пуассона. Вот такая вот демонстрация того, что свет имеет волновую природу. Даже не обязательно верить мне на слово — вы можете все увидеть своими глазами.
Переведено и озвучено студией Вверх, Гайдар.