Способность стенолазов и других птиц прогнозировать погоду — жизненно необходимое свойство. Многие виды давно бы вымерли, если бы не умели уклоняться от встречи с губительными бурями.
Разгадка световых узоров
Солнечный зайчик остро сверкнул на неспокойной глади моря и через мгновение поблек, расплылся вязью зыбких бликов. Сквозь тонкий, мягко волнующийся слой прибрежной воды солнечные лучи чертят на гладком дне непрестанно сменяющиеся световые узоры.
Эти световые письмена удалось расшифровать совсем недавно, хотя ключом к их расшифровке ученые владели, казалось бы, давно. Этот ключ — законы преломления и отражения света, дифракции и интерференции световых волн. Со школьных лет нам запомнились рисунки из учебника по физике из раздела «Оптика»: световые лучи собираются в фокусе, преломившись в линзе, отразившись в вогнутом зеркале. В достоверности таких рисунков мы не сомневаемся, мы уверены, что за ними стоят строгие математические расчеты, предписывающие, какими по форме должны быть линзы и зеркала, чтобы лучи света собрались в одной точке.
Но вот вопрос: если такие математические предписания и существуют, удастся ли воплотить их в реальных оптических системах? А если даже и удастся, способны ли реальные оптические конструкции навсегда сохранить неизменной желательную форму? Тот же свет, упав на зеркало, чуточку нагрел его — и его идеальная форма исказилась, а пучок отраженных лучей, пусть даже и сходившийся когда-то в одной точке, уже рассыпался… Как теперь описать его строение? И какие возможные конфигурации может вообще принять пучок лучей, отраженных в реальных поверхностях, преломленных в реальных средах?
Одна из простейших возможностей представлена схемой. Лучи, отраженные от фокусирующего зеркала, в районе предполагаемого фокуса складываются в характерное, так называемое каустическое острие. В общем виде строение такой световой поверхности было выяснено еще в прошлом веке, рассчитать же его математически стоило немалых трудов. Без ответа оставался вопрос: какие поверхности такого рода возможны еще?
Ответ на этот вопрос помог дать один из разделов современной математики, который создали в недавние годы советский ученый В. И. Арнольд, французский математик Р. Том и другие. С легкой руки своих создателей это направление математических исследований стало именоваться теорией катастроф. (О ней наш журнал рассказывал в № 12 за 1977 год.) Описать же возникающий узор световых пятен позволил математический метод, разработанный советским теоретиком В. П. Масловым. В область оптических и радиофизических явлений выводы этих теорий впервые перенесли научные сотрудники Московского физико-технического института Д. С. Лукин и Е. А. Палкин[5] и одновременно с ними это сделал работающий в Бристоле М. В. Берри.
Светящиеся узоры, в которые могут складываться фокусируемые лучи, отыскались в наборе диковинных поверхностей, формулы которых диктует теория катастроф (см. рисунки вверху). Надо сказать, что эти математические поверхности представляют собою лишь своеобразный костяк световых узоров, наблюдаемых на опыте. Сам же узор создается в результате интерференции лучей, располагающихся именно так, как предписывает теория катастроф. Чем больше длина волны, тем меньше световой узор напоминает поверхности из теории катастроф; чем сильнее разнятся длины волн лучей, тем более размытой получается вся картина. И напротив — чем короче длина волны света, тем более дифракционные световые пятна сливаются для наблюдателя в те самые поверхности, о которых говорится в теории катастроф. Сходство было бы полным, если взять свет с нулевой длиной волны, но это, к сожалению, случай несбыточный.
Когда оптикам требуется особо однородное (или, как они говорят, монохроматическое) излучение, то в качестве его источника они используют лазер. Четкость интерференционных эффектов обусловлена когерентностью световых волн, то есть их согласованностью по фазе. Излучение лазера отличается и этим достоинством. Луч лазера, падая на отражающую поверхность или пройдя через преломляющую линзу, выписывает в пространстве ту или иную из световых поверхностей, представленных рисунками. Поставив на пути световых лучей фотографическую пластинку, мы получим на ней один из тех световых узоров, которые читатель видит на снимках рядом.
Стоит заметить, что такие фигуры можно наблюдать, и не располагая сложным оптическим оборудованием. Взгляните через забрызганные дождем очки на ртутный фонарь (из всех применяемых на практике источников света он дает наиболее монохроматическое излучение). Перед глазами у вас возникнет мелкая причудливая сетка, сплетенная из завитков, знакомых по помещенным здесь снимкам. Дело в том, что капельки воды, осевшие на стеклах очков, представляют собою своеобразные линзы. Но у них неровная поверхность, оттого и свет, фокусируемый каждой из таких линз на сетчатке глаза, выписывает те узоры, секреты которых недавно разгадали физики с помощью математиков.
Виды поверхностей, предсказываемые теорией катастроф (стр. 122, слева направо): «каустическое острие», «ласточкин хвост», «бабочка», поверхности параболического, гиперболического, эллиптического типа. Справа: световой узор типа «каустическое острие» и результат его расчета на ЭВМ. На снимках внизу представлены световые узоры, соответствующие различным видам поверхностей, показанных выше. Левая колонка (сверху вниз): узор вида «бабочка», узоры эллиптического, параболического, гиперболического типа. Правая колонка (сверху вниз): узоры гиперболического и параболического типа.
КУНСТКАМЕРА
Коллекция изречений из старых книг, газет и журналов
Учитель. Сколько часов имеют сутки?
Ученик. Двадцать два.
Учитель. Это каким же образом?
Ученик. Вы же сами недавно говорили, что день теперь стал короче на два часа.
Мальчику дали мятную конфетку. Пососав ее, он резонно заметил:
— Фу, как дует!
* * *
— Ваня! Когда ты сделаешь все свои уроки, возьми это письмо и опусти в почтовый ящик.
На следующий день.
— Ну, как? Ты опустил вчера письмо?
— А я, папочка, вчера уроков не приготовил…
* * *
— Папочка! Купи мне барабан!
— Но ты будешь барабанить и мешать мне работать.
— Нет, папочка! Я буду барабанить, когда ты будешь спать…
* * *
Мама (шепотом). Томми, твой дедушка очень болен, скажи ему что-нибудь ободряющее.
Томми (дедушке). Дедушка, ты хотел бы, чтобы на твоих похоронах играл военный оркестр?
Из коллекции В. ВИРЕНА.
Коллекция сведений не слишком известных
