Структура реальности

Является ли граница между светом и тенью резкой, или существует некая «серая зона»? Обычно существует довольно широкая серая область, и одна из причин ее существования показана на рис. 2.3. Есть темная область (называемая полной тенью), куда вообще не доходит свет от нити накала. Есть также полностью освещенная область, которая может получать свет от любого участка нити накала. Но поскольку нить накала не является геометрической точкой, а имеет определенные размеры, между освещенной и неосвещенной областью также присутствует полутень – область, которая может получать свет только от некоторых участков нити накала. Если смотреть из области полутени, то видна лишь часть нити накала, и освещенность окажется меньше, чем в полностью освещенной области.

Однако размер нити накала – не единственная причина того, почему фонарик отбрасывает полутени. Различное влияние на свет оказывают рефлектор, расположенный позади лампочки, стеклянный колпак фонарика, разные швы и дефекты и т. д. Так что мы ожидаем появления сложной светотеневой картины просто потому, что сам фонарик сложен. Но случайные особенности фонариков не являются предметом наших экспериментов. За вопросом о свете фонарика скрывается более фундаментальный вопрос о свете вообще: существует ли, в принципе, некий предел того, сколь резкой может быть тень (другими словами, насколько узкой может быть полутень)? Например, если фонарик сделать из абсолютно черного (неотражающего) материала и использовать все меньшего размера нити накала, возможно ли сужать полутень беспредельно?

Глядя на рис. 2.3, кажется, что это возможно: если бы нить накала не имела размера, не было бы полутени. Но на рисунке я сделал некоторое допущение относительно света, а именно, что свет распространяется только прямолинейно. Из повседневного опыта нам известно, что это так и есть, поскольку заглядывать за угол мы не умеем. Однако тщательные эксперименты показывают, что свет не всегда движется по прямой. При некоторых обстоятельствах он искривляется.

Это трудно продемонстрировать с помощью одного лишь фонарика, потому что сложно делать крошечные нити накала и очень черные поверхности. Эти практические сложности скрывают те пределы, которые фундаментальная физика накладывает на резкость теней. К счастью, искривление света можно продемонстрировать и иначе. Предположим, что свет фонарика проходит через два последовательных маленьких отверстия в светонепроницаемых экранах, как показано на рис. 2.4, и что свет падает затем на третий экран. Вопрос состоит в следующем: если этот эксперимент повторять, уменьшая диаметр отверстий и увеличивая расстояние между первым и вторым экранами, будет ли полная тень (область абсолютной темноты) сужаться безгранично, пока 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», насколько тонка нить, в которую можно его растянуть. (Из золота можно получить нити толщиной в 0,0001 мм.)

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 заметно возмущаться. Вместо того чтобы проходить через отверстия по прямым линиям, свет не желает оставаться в ограниченном пространстве и расползается позади каждого отверстия. И, расползаясь, он «растрепывается». Чем меньше диаметр отверстия, тем сильнее свет уклоняется от прямолинейного пути. Появляются сложные картины света и тени. На третьем экране мы уже видим не освещенную и темную области с полутенью между ними, а концентрические кольца разной толщины и яркости. Кроме того, там присутствует цвет, так как белый свет является смесью фотонов разных цветов, каждый из которых распространяется и рассеивается немного по-своему. На рис. 2.5 показана типичная картина, которую может образовать на третьем экране белый свет, пройдя через отверстия в первых двух экранах. Напоминаю, здесь не происходит ничего, кроме отбрасывания тени! Рис. 2.5 – это всего лишь тень, отброшенная вторым экраном, изображенным на рис. 2.4. Если бы свет распространялся только прямолинейно, появилась бы только крошечная белая точка (гораздо меньше, чем яркое пятно в центре рис. 2.5), окруженная очень узкой полутенью. Все остальное было бы полной тенью – совершенной темнотой.

Как бы ни озадачивало искривление лучей света при прохождении через маленькие отверстия, я не вижу в этом фундаментальной проблемы. В любом случае для наших настоящих целей важно то, что свет действительно искривляется. Это означает, что тени не должны выглядеть как силуэты предметов, которые их отбрасывают. Более того, дело даже не в размывании изображения, вызванном полутенью. Оказывается, перегородка со сложной картиной отверстий может отбрасывать тень совершенно другой формы!

На рис. 2.6 показана примерно в натуральную величину часть картины теней, создаваемой на расстоянии 3 м двумя прямыми параллельными щелями в светонепроницаемой перегородке. Щели находятся на расстоянии 0,2 мм друг от друга и освещаются нерасходящимся 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 многоцветными краями. Поэтому для экспериментов, смысл которых в получении точной формы тени, лучше использовать свет одного цвета. Можно поместить перед фонариком цветной фильтр (например, пластину из цветного стекла), чтобы через него проходил свет только одного цвета. Это помогло бы, но фильтры выделяют его не слишком аккуратно. Лучше воспользоваться светом лазера, поскольку лазер можно очень точно настроить на испускание света совершенно конкретного цвета почти без примеси других [4] .

4

Такой свет называется монохроматическим. Длина его волны зависит от активного вещества данного лазера. – Прим. ред.

Если бы свет распространялся прямолинейно, то на рис. 2.6 мы бы увидели две ярких полосы с резкими границами, расположенные на расстоянии 0,2 мм друг от друга (что было бы невозможно увидеть в 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 щели сдвинуть вбок так, чтобы они оставались в пределах лазерного луча, то и картина на экране сдвинется на столько же. В этом отношении она ведет себя как обычная тень, отбрасываемая крупным предметом. Хорошо, а какую тень мы получим, если прорежем в перегородке еще пару таких же щелей, сдвинув их на половину расстояния между первыми двумя, так что получится четыре щели, разделенные расстоянием в 0,1 мм? Можно было бы ожидать, что картина будет выглядеть почти так же, как и изображенная на рис. 2.6. Как-никак первая пара щелей отбрасывает тени, показанные на рис. 2.6, и, как я уже сказал, вторая пара щелей должна произвести подобную картину тени, сдвинутую в сторону на 0,1 мм – то есть почти на том же самом месте. Кроме того, мы знаем, что лучи света обычно проходят друг сквозь друга, не претерпевая изменений. Так что две пары щелей, казалось бы, должны дать ту же самую картину, но в два раза ярче и чуть более размытую.

В действительности происходит нечто совершенно иное. Реальная картина теней, отбрасываемых перегородкой с четырьмя прямыми параллельными щелями, показана на рис. 2.7 (а). Для сравнения ниже я снова привожу рисунок тени от перегородки с двумя щелями – рис. 2.7 (b). Мы видим, что тень от четырех щелей представляет собой отнюдь не комбинацию двух слегка смещенных теней от двух щелей, а имеет новую и более сложную структуру. В этой картине есть участки, вроде тех, что помечены знаком X, которые не освещены на картине тени от четырех щелей, но освещены на картине тени от двух щелей. Эти участки были яркими при наличии в перегородке двух щелей, но стали темными, когда в перегородке прорезали еще две щели, пропускающие свет. Появление этих щелей помешало [5] попаданию света в зону X.

5

В оригинале использовано слово «interfered», от которого происходит термин «интерференция», означающий явление, объясняющее наблюдаемые эффекты. – Прим. ред.

Таким образом, появление еще двух источников света затемняет зону X, а их удаление снова освещает ее. Каким образом? Можно представить себе, как два фотона направляются к зоне X и отскакивают друг от друга, как бильярдные шары. Любой из двух фотонов, будь он один, попал бы в зону X, но они мешали друг другу и оба ушли куда-то в другие места. Скоро я покажу, что это объяснение не может быть истинным. Тем не менее от основной идеи этого объяснения уйти невозможно: через вторую пару щелей должно проходить что-то, препятствующее попаданию света из первой пары щелей в зону X. Но что же? Это мы можем выяснить с помощью дальнейших экспериментов.

Во-первых, картина тени от перегородки с четырьмя щелями, изображенная на рис. 2.7 (а), появляется только в том случае, если все четыре щели освещены лазерным лучом. Если освещены только две щели, появляется картина, которая должна быть для двух щелей. Если освещены три щели, появится новая картина, отличная от двух предыдущих, – тень от трех щелей. Таким образом, то, что создает помехи, находится в луче света. Двухщелевая картина также появляется вновь, если две лишние щели заполнить светонепроницаемым материалом, и не появляется, если этот материал прозрачный. Другими словами, создающий помехи агент блокируется всем, что не дает проходить свету, даже если это нечто почти неощутимо, как туман. Однако он проникает сквозь все, что позволяет пройти свету, даже через такое непроницаемое (для вещества) препятствие, как алмаз. Если в приборе установить сложную систему зеркал и линз, то до тех пор, пока свет может дойти от каждой щели до конкретной точки на экране, в этой точке будет наблюдаться часть четырехщелевой картины. Если до конкретной точки может дойти свет только от двух щелей, на экране мы увидим часть двухщелевой картины и т. д.

Таким образом, что бы ни вызывало помехи, оно ведет себя в точности как свет. Оно всегда присутствует в луче света, но отсутствует вне его. Оно отражается, передается или блокируется тем, что отражает, передает или блокирует свет.

Возможно, вы удивитесь, почему я столь досконально разбираю этот вопрос. Ведь абсолютно очевидно, что это и есть свет, то есть фотонам из одной щели мешают фотоны из других. Но, возможно, вы поставите под сомнение очевидное после следующего эксперимента, завершающего серию.