вообще: существует ли, в принципе, некий предел резкости границы (другими словами, насколько узкой может быть полутень)? Например, если фонарик сделать из абсолютно черного (неотражающего) материала и если использовать все уменьшающиеся нити накала, возможно ли сужать полутень беспредельно?
Глядя на рисунок 2.3 можно подумать, что это возможно: если бы нить накала не имела размера, не было бы полутени. Но на рисунке 2.3 я сделал некоторое допущение относительно света, а именно, что свет распространяется только прямолинейно. Из повседневного опыта нам известно, что это так и есть, поскольку мы не видим волн. Но точные эксперименты показывают, что свет не всегда распространяется прямолинейно. При некоторых обстоятельствах свет искривляется.
Это сложно продемонстрировать с помощью фонарика, потому что сложно сделать крошечные нити накала и абсолютно черные поверхности. Эти практические сложности скрывают те ограничения, которые основная физика накладывает на резкость теней. К счастью, искривление света можно также показать по- другому. Предположим, что свет фонарика проходит через два последовательных маленьких отверстия в светонепроницаемых экранах, как показано на рисунке 2.4, и что проходящий через эти отверстия свет падает на третий экран. Вопрос состоит в следующем: если этот эксперимент повторять, уменьшая диаметр отверстий и увеличивая расстояние между первым и вторым экранами, можно ли беспредельно сужать полную тень (область абсолютной темноты) до тех пор, пока она не превратится в прямую линию между центрами двух отверстий? Может ли освещенная область между вторым и третьим экраном быть ограничена произвольно узким конусом? Говоря языком ювелиров, сейчас мы спрашиваем что-то вроде того, «насколько пластичен свет», в насколько тонкую нить можно растянуть свет? Из золота можно получить нити толщиной в одну десятитысячную миллиметра.
Рис. 2.4. Получение узкого луча света, проходящего через два последовательных отверстия
Оказывается, что свет не так пластичен, как золото! Задолго до того, как диаметр отверстий приблизится к десятитысячной доле миллиметра, а в действительности, уже при диаметре отверстий около одного миллиметра свет начинает оказывать заметное противодействие. Вместо того чтобы проходить через отверстия прямыми линиями, свет сопротивляется ограничению и распространяется за каждым отверстием. И распространяясь, свет «рассеивается». Чем меньше диаметр отверстия, тем сильнее свет рассеивается от прямолинейного пути. Появляются сложные картины света и тени. Вместо освещенной и темной областей с полутенью между ними на третьем экране мы видим концентрические кольца разной толщины и яркости. Кроме того, там присутствует цвет, так как белый свет состоит из фотонов разных цветов, каждый из которых распространяется и рассеивается немного по-разному. На рисунке 2.5 показана типичная картина, которую может образовать на третьем экране белый свет, пройдя через отверстия в первых двух экранах. Не забывайте, здесь всего лишь отбрасывается тень. Рисунок 2.5 — это всего лишь тень, отброшенная вторым экраном, изображенным на рисунке 2.4. Если бы свет распространялся только прямолинейно, появилась бы только крошечная белая точка (гораздо меньше, чем яркое пятно в центре рисунка 2.5), окруженная очень узкой полутенью. Все остальное было бы полной тенью — совершенной темнотой.
Рис. 2.5. Картина света и тени, образованная белым светом после прохождения через маленькое круглое отверстие
Как бы ни озадачивало то, что лучи света искривляются, проходя через маленькие отверстия, я не считаю, что это нарушает сами основы. В любом случае, для наших настоящих целей важно, что свет действительно искривляется. Это означает, что тени вообще не должны выглядеть как силуэты предметов, которые их отбрасывают. Более того, дело даже не в размывании изображения, вызванном полутенью. Оказывается, что перегородка с отверстиями сложной формы может отбрасывать тень совершенно другой формы.
Рисунок 2.6 показывает приблизительно в натуральную величину часть картины тени, отбрасываемой светонепроницаемой перегородкой с двумя прямыми параллельными щелями, находящейся на расстоянии трех метров от экрана. Щели находятся на расстоянии одной пятой миллиметра друг от друга и освещаются прямым красным лучом лазера расположенного по другую сторону перегородки. Почему используется свет лазера, а не электрического фонарика? Только потому, что точная форма тени также зависит и от цвета света, который ее производит, белый свет фонарика содержит весь спектр видимых цветов, поэтому он может отбрасывать тени с интерференционными полосами различного цвета. Значит, для получения точной формы тени во время эксперимента лучше использовать свет одного цвета. Можно было бы поместить цветной фильтр (например, цветное оконное стекло) перед фонариком так, чтобы проходил свет только одного цвета. Это могло бы помочь, но фильтры не стопроцентно селективны. Лучше воспользоваться светом лазера, поскольку лазер можно очень точно настроить на испускание монохроматического света.
Рис. 2.6. Тень, отбрасываемая перегородкой с двумя прямыми параллельными щелями
Если бы свет распространялся прямолинейно, картина, изображенная на рисунке 2.6, представляла бы две ярких полосы с резкими границами, расположенные на расстоянии одной пятой миллиметра друг от друга (что было бы невозможно увидеть при таком масштабе), а остальная часть экрана осталась бы в тени. Но в действительности свет искривляется так, что образует много ярких и темных полос без резких границ. Если увеличить расстояние между щелями так, чтобы они оставались в пределах лазерного луча, расстояние между полосами на экране увеличится на столько же. В этом отношении тень ведет себя как обычная тень, отбрасываемая крупным предметом. А какую тень мы получим, если прорежем в перегородке между двумя существующими щелями еще две идентичные щели, так, что у нас будет четыре щели, расположенные на расстоянии одной десятой миллиметра друг от друга? Можно ожидать, что картина, изображенная на рисунке 2.6, останется практически неизменной. Как-никак первая пара щелей отбрасывает тени, показанные на рисунке 2.6, и, как я уже сказал, вторая пара щелей должна произвести подобную картину тени, сдвинутую в сторону на одну десятую миллиметра — почти на том же самом месте. Кроме того, мы знаем, что лучи света пересекаются, не оказывая никакого воздействия друг на друга. Так что две пары щелей должны дать ту же самую картину тени, но в два раза ярче и чуть более размытую.
В действительности происходит нечто отличное. Действительная тень, отбрасываемая перегородкой с четырьмя прямыми параллельными щелями, показана на рисунке 2.7 (а). Для сравнения ниже я снова привожу рисунок тени от перегородки с двумя щелями (рисунок 2.7(b)). Ясно, что тень от четырех щелей представляет собой отнюдь не комбинацию двух слегка отдаленных друг от друга теней от двух щелей, а имеет новую и более сложную картину. В этой картине есть такие участки, как точка X. которая не освещена на картине тени от четырех щелей и освещена на картине тени от двух щелей. Эти участки освещались при наличии в перегородке двух щелей, но
Рис. 2.7. Тени отбрасываемые перегородкой с (а) четырьмя и (b) двумя параллельными щелями
Таким образом, появление еще двух источников света затемняет точку X. а их удаление снова освещает ее. Каким образом? Можно представить два фотона, направляющиеся к точке Х и отскакивающие друг от друга как бильярдные шары. Только один из фотонов мог бы попасть в точку X, но они мешали друг другу, и потому ни один из них туда не попал. Скоро я покажу, что это объяснение не может быть истинным. Тем не менее, основной идеи избежать невозможно: через вторую пару щелей должно проходить
Во-первых, картина тени от перегородки с четырьмя щелями, изображенная на рисунке 2.7 (а), появляется только в том случае, если все четыре щели освещены лазерным лучом. Если освещены только две щели, появляется картина, соответствующая тени от двух щелей Еcли освещены три щели, появится картина тени от трех щелей которая в свою очередь будет отличаться от двух предыдущих. Таким образом, в луче света находится нечто, вызывающее интерференцию Картина тени от двух щелей также появляется, если две щели заполнить светонепроницаемым материалом, но она изменяется при заполнении этих щелей прозрачным материалом. Другими словами, интерференции препятствует нечто, препятствующее свету, это может быть даже что-то столь же несущественное, как туман. Но оно может пройти через все, что
