6 июл. 2010 г.

Почему небо голубое?

Мы наблюдаем это явление каждый день, но задаёмся таким вопросом, как правило, только в детстве. Почему небо голубое? Или почему днём солнце бело-жёлтое, а вечером - красное?

Почему небо голубое, а солнце красное?Вроде бы помнится что-то такое из физики, что белый цвет не так прост, как хочется - его можно разложить в сумму всех цветов радуги. Но что из этого следует?

Ещё есть воспоминания о том, что лучи разного цвета имеют различные свойства в разных средах. То есть, конечно, понятно, что в вакууме скорость любых лучей максимальна (равна скорости света). А вот в атмосфере, например, уже можно наблюдать следующее интересное различие:
- синие-фиолетовые лучи движутся медленно, а рассеиваются в среде хорошо (легко преломляются),
- красные лучи движутся быстро, а преломляются плохо.

Другими словами, про изменение цвета солнца стало что-то понятнее: чем ближе наше светило к горизонту, тем больший путь через атмосферу приходится пройти солнечным лучам, чтобы попасть к нам в глаза. Ну а поскольку красные лучи рассеиваются хуже остальных, то именно они определяют для нас цвет солнца. Соответственно, в полдень лучи преодолевают меньшее расстояние по атмосфере, из-за чего меньшее количество не красных лучей успевает разбежаться по другим направлениям. Поэтому днём солнце кажется более белым, чем поздним вечером.

А что же с голубым цветом неба? Там сплошная неясность. Кто-то помнит из научно-популярных книжек или уроков физики о Рэлеевской теории рассеивания. Идея у Джона Рэлея была красивая: если частота света существенно меньше частоты рассеивающего объекта, то рассеяние света происходит без изменения длины волны. Для этого эффекта даже придумали хорошее и понятное название - упругое рассеивание. И долгое время это объяснение считалось правильным и правдивым.

Даже если остановиться прямо сейчас, чтобы, не влезая в дебри непонятной оптики, попытаться пересказать всё это пятилетнему ребёнку, то уже получится очень комично. Недавно мы задавались вопросом, всегда ли надо говорить правду, а вот сейчас видим наглядный пример. Что следует ответить пятилетнему ребёнку на вопрос о причине такого цвета неба, если нельзя (по идейным соображениям) обманывать? Ладно, отвлечёмся на минутку от вопроса «как объяснить?», потому что есть следующий вопрос - «что дальше?»

Целый век назад Леонид Мандельштам осознал, что теория Рэлея слишком красива, чтобы объяснить цвет неба. Дело в том, что теоретические результаты расходились с наблюдениями: рэлеевское рассеивание должно было гаситься интерференцией. Исследователи пришли к мнению, что критически важным моментом является оптическая неоднородность среды.

Короче, мы далеко не все здесь физики, поэтому попытаюсь сформулировать на пальцах: цвет неба определяется типичными размерами неоднородностей, которые возникают в атмосфере. В воздухе постоянно происходит движение молекул, что приводит к образованию областей (на небольшое время) с повышенным и пониженным давлением относительно окружающей среды. И наша атмосфера имеет такие характеристики, что размеры этих неоднородностей такие-то. И именно эти типичные размеры определяют диапазоны волн, которые лучше или хуже будут рассеиваться. Таким нехитрым образом задаётся цвет неба.

Правда ли это? Когда-то считалось правдой, что небо голубое, потому что так покрасили холст, находящийся над нашим материком, подпираемым тремя черепахами. Когда-то считалось, что небо голубое, потому что молекулы воздуха чуть-чуть голубоваты, а толстый пласт атмосферы как раз набирает сильный голубой цвет. Когда-то... Впрочем, надо ли вспоминать старые правды, когда есть новая? Другими словами, мы не очень понимаем, что такое правда и ложь (во всяком случае, нос Буратино не всегда это знает), но иногда запросто берёмся критиковать чужую позицию.

Механизм лжи долгими годами развивался, получив очень сильный толчок в момент зарождения речи. Раньше арсенал обманщика не мог включать в себя, например, подмену смыслов терминов в процессе дискуссии или предоставление чрезвычайно избыточного объёма информации, что практически лишало собеседника возможности не только вычленить важные тонкости, но и понять, о чём идёт речь. Научившись же говорить и писать, люди расширили границы своей лжи, получая индивидуальные преимущества над менее сообразительными сородичами... Увы, забывая, что для популяции это невыгодно. Рекомендую на эту тему статью Алексея Глазкова «Почему мы лжем».

Хорошего вам дня! И пусть вокруг вас будет больше прямых, честных и открытых людей.

7 комментариев:

  1. Забавно. Название заметки напомнило об одной статье в Успехах (УФН), где приводится та же история о цвете неба. Довольно быстро удалось отыскать, к счастью. Так вот, забавно то, что название и тема у неё соответствующие — «Заблуждения и реальность в некоторых задачах физики (теория и эксперимент)».

    А по теме — вопрос почти тот же, что и со школьными учебниками, в которых не всегда (почти никогда?) не получается сказать правду. Порой неправда, действительно, неизбежна и при этом она открывает дверь к другим истинам, которую бы не вовремя сказанная правда могла закрыть навсегда. Я всё же не верю в чёрно-белый мир, хотя бы потому, что небо голубое :-) С детьми остерегаться полуправды уж точно нельзя, только такие ответы могут быть непосредственными и прямыми, а значит — по-настоящему правдивыми.

    ОтветитьУдалить
  2. Спасибо, очень интересно было прочитать про оптику.

    Правда, мне не понятно, почему вы выбрали такой по-детски примитивный метод описания происходящего — правды, лжи; старые, новые.

    На мой взгляд, это просто эволюция моделей мира — раньше была модель, которая обьясняла цвет неба с помощью космических животных и холста, потом была Рэлеевская теория рассеивания, потом более сложная оптическая теория, название которой не упоминалось.

    Соответственно, ученые не ищут «истину» а просто строят разные модели мира, которые разной возрастающей точностью.

    ОтветитьУдалить
  3. Илья, а эту заметку вы писали сами или вам кто-то помогал? Не могу объяснить природу чувства, но есть какое-то подозрение... чем-то эта заметка отличается от предыдущих.

    ОтветитьУдалить
  4. Анонимный07.07.2010, 8:47

    Насчет детей и вопросов, родителям, не очень близким к естественным наукам, можно посоветовать http://elementy.ru/email , как вариант. Вот, к примеру, про небо: http://elementy.ru/email/1897732

    ОтветитьУдалить
  5. Варшавский, спасибо за ссылку на интересную статью. Очень познавательно! Рекомендую её всем, кому интересна эта тематика. Жаль, что я раньше не знал об УФН. Вы можете порекомендовать статьи из "Успехов...", которые Вам больше всего понравились? Я бы хотел начать с лучшего :)

    Paul Somebody, это не я выбрал приминивное деление на чёрное и белое, а миллиарды людей. Мне кажется, важно понимать, что утверждение учёного любой величины "этот процесс происходит таким-то образом" на самом деле означает "мы считаем, что этот процесс происходит таким-то образом". И важно про эту разницу не забывать (конечно, речь не только об учёных).

    Jean, интересное наблюдение об изменении стиля. Мне это трудно заметить изнутри себя... Заметку писал я. Возможно, дело в том, что я не физик. То есть, мне трудно подбирать аккуратные выражения, чтобы сообщить своё понимание ситуации. Я старался не противоречить современному физическому представлению, но показать интересные эффекты :)

    Уважаемый аноним, спасибо за дельные ссылки!

    ОтветитьУдалить
  6. Илья, рад, что статья Вас заинтересовала. По поводу вопроса: за все годы не скажу — к старым номерам обращаюсь больше по потребности. Но из двухтысячных вот несколько для примера, на которые стоило бы обратить внимание.
    В апрельском номере этого года — два обзора, посвящённых вопросу понимания жизни, как явления (с точки зрения биофизики и биологии): XXI век: что такое жизнь с точки зрения физики
    (эта особенно интересна не только общим экскурсом в историю, но рассмотрением различных парадоксов) и Как в XX веке физики, химики и биологи отвечали на вопрос: что есть жизнь?

    Довольно полезная заметка об истории известной формулы, её смысле и некоторых связанных с ней заблуждениях — Формула Эйнштейна: Eₒ = mc². «Не смеётся ли Господь Бог»?

    Занимательная статья Менского (не смотря на то, что местами он излагает сугубо своё видение) — Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новые формулировки старых вопросов

    А вот эта статья в целом может быть не так интересна, но в ней очень примечательно описание становления идей о делимости материи/вещества (если остальная часть не заинтересует, то посвящённое этому начало крайне рекомендую): «Закон Праута» и открытие аргона .

    P.S.: предыдущую версию этого комментария пришлось удалить — как-то криво отформатировался он.

    ОтветитьУдалить
  7. Цитаты из Ветхого Завета, Бытие 1. п.6 "И сказал Бог: да будет твердь посреди воды, и да отделяет она воду от воды.
    п.7 "И создал Бог твердь, и отделил ВОДЫ, которая ПОД ТВЕРДЬЮ, от ВОДЫ, которая НАД ТВЕРДЬЮ. И стало так."
    п.8. И назвал Бог ТВЕРДЬ - НЕБОМ. И был вечер, и было утро: день второй.
    То есть ТВЕРДЬ в данном случае выступает НЕБО, а не суша земли, ибо про сушу дальше сказано.

    Может всё же небо голубое - потому как там вода? Как вам такая версия?

    ОтветитьУдалить

Понравилась заметка? Подпишитесь на RSS-feed или email-рассылку.

Хотите поделиться ссылкой с другими? Добавьте в закладки:



Есть вопросы или предложения? Пишите письма на адрес mytribune АТ yandex.ru.

С уважением,
      Илья Весенний