Бруно Мансулье - Вся физика в 15 уравнениях

даже ценой глубокого переворота в сознании.

Кстати, что значит «видеть»?

Мне несказанно повезло с учителями физики. В старшей школе, в 11-м классе, учитель оказался не просто преподавателем, а еще и любителем своего предмета. Он создал реальную лабораторную установку для выполнения деликатных оптических экспериментов: не во время лабораторных работ, а перед всем классом, как живое шоу. Для экспериментов с оптикой мы выключали свет в классе, учитель зажигал дуговую лампу, потрескивающую и упрямую (в то время еще не было лазеров, что значительно облегчило бы ему жизнь…). Затем преподаватель вводил в луч света линзы или щели, вращал зеркала, и лучи света пронизывали стены класса странными, эфемерными фигурами, которые он поощрял нас расшифровывать. Его изобретения почти всегда срабатывали. Великое искусство!

Но перед столь впечатляющими демонстрациями учитель тратил половину урока, объясняя, что «видеть» — это не значит активно «смотреть», а данное понятие подразумевает пассивное восприятие световых лучей^[1]. Один полноценный урок был посвящен уничтожению той самой интуиции, такой естественной и такой сильной, которая скрывается в глаголе «наблюдать». Не взгляд достигает объекта, а свет, излучаемый им, достигает моих глаз. И кстати, нельзя «почувствовать чей-то взгляд». Я могу только осознать, что девушка смотрит на меня, когда вижу, что ее глаза направлены в мою сторону. Но если я не увижу ее глаз, то никогда не узнаю, направлен ли ее взгляд «на меня» или в другое место.

Казалось бы, нет ничего проще. Однако мне это запомнилось как одно из самых первых откровений научного мышления. Действительно, есть два способа увидеть мир. В первом «я смотрю» и «я вижу» предметы и их отражения, никак не интересуясь природой этого видения. В другой парадигме восприятия источник света, лампа, солнце испускают световые лучи. Они отражаются, преломляются, рассеиваются предметами, затем попадают в мои глаза, и только тогда я их вижу.

Физика освещения

Итак, давайте «делать физику». Это значит оставлять наивную интуицию в стороне, судить обо всем на основании фактов, вносить новые смыслы в мир. И желательно делать это так, чтобы новые интерпретации известных фактов были понятны для всех. Отставляя в сторону свое «я», несложно сформулировать законы, выразив их формулами. Теперь мы можем вычислять и предсказывать. Каждый источник света излучает лучи, которые отражаются, преломляются, рассеиваются на объектах одинаково для всех. Законы отражения и преломления света возвестили век «просветления» и новую эру формул в физике.

Глава 2 Закон Снелла-Декарта и… принцип наименьшего действия

n2sinθr = n1sinθi

Следом за отражением света логично рассмотреть закон преломления, определяющий траекторию луча света, переходящего без отражения из одной прозрачной среды в другую. Можно привести множество примеров, в которых будут наблюдаться эффекты вышеуказанного закона. Чаще всего мы на них просто не обращаем внимания. Возможно, особо наблюдательные люди замечают странный эффект, как шест, опущенный на дно прозрачного бассейна, кажется сломанным на уровне поверхности, на границе между воздухом и водой…

В области распространения света непосредственное применение данного уравнения неисчислимо, поскольку оно господствует над всеми оптическими системами. Но в этой главе мы увидим, что простой закон, сформулированный для конкретного (частного) случая, станет источником понимания нового общего и мощного физического постулата — принципа наименьшего действия.

Уравнение постулирует, что угол выхода луча из границы раздела отличается от угла входа, что создает иллюзию сломанной палки. Вам, наверное, известно математическое выражение sin. Это функция синуса, которую можно вычислить нажатием кнопки любого научного карманного калькулятора. Исторически потребовалось некоторое время, чтобы понять, что в формуле закона преломления используется именно эта функция, а не значение самого угла, например. Однако как только о данном законе заговорили многие, это простое уравнение сразу же нашло широкое практическое применение.

n2sinθr = n1sinθi

Эксперимент

Вооружившись приведенным выше уравнением, можно произвести простейшие эксперименты по рефракции, используя различные пары прозрачных сред: воздух/вода, воздух/ --">