Радуги – наиболее известное и красочное атмосферное явление, но отнюдь не единственное. Существует целый ряд других явлений атмосферы; некоторые из них сразу бросаются в глаза, а другие, напротив, мистически загадочны. Но давайте еще какое-то время останемся с радугами и посмотрим, куда это нас приведет.

Если внимательно посмотреть на очень яркую радугу, то на ее внутренней кромке иногда можно увидеть ряд чередующихся ярких и темным полос, которые называются дополнительными радугами. Чтобы понять это явление, нам придется отказаться от объяснения природы световых лучей, данного Ньютоном. Он считал, что свет состоит из частиц, поэтому, когда он представлял себе отдельные лучи света, проникающие в каплю дождя, преломляющиеся в ней и выходящие из нее, то предполагал, что они ведут себя так, как если бы были маленькими частицами. Но чтобы объяснить дополнительные радуги, о свете необходимо думать как о чем-то состоящем из волн. Для создания такой радуги световые волны должны пройти через дождевые капли менее миллиметра в диаметре.

Один из самых важных экспериментов во всей физике (его чаще всего называют опытом Юнга, или экспериментом на двух щелях) наглядно продемонстрировал, что свет состоит из волн. В этом знаменитом эксперименте, впервые проведенном в 1801–1803 годах, английский ученый Томас Юнг расщепил узкий луч солнечного света на два пучка и увидел на экране картинку (сумму двух пучков), которую можно было объяснить, только предположив, что свет состоит из волн. Позже данный эксперимент был проведен по-другому, с использованием двух щелей (или двух микроотверстий). Далее я буду исходить из предположения, что узкий пучок света проходит через два очень маленьких микроотверстия (расположенных близко друг к другу) в листе тонкого картона. Свет проходит через них и падает на экран. Если бы свет состоял из частиц, любая заданная частица проходила бы либо через одно отверстие, либо через другое (поскольку не могла бы пройти через оба) и, следовательно, мы видели бы на экране два ярких пятна. Однако картинка на экране иная. Она точно имитирует то, что ожидаешь увидеть, если на экране встречаются две волны – одна, прошедшая через первое микроотверстие, и одновременно вторая, идентичная первой, прошедшая через второе. Сложение этих двух волн подвержено тому, что мы называем интерференцией. Когда гребни волны из одной прорези совпадают со впадинами волн из другой, волны компенсируют друг друга и места на экране, где это происходит (их будет не одно), остаются темными. Разве это не удивительно – свет плюс свет равен тьме! И наоборот, в других местах экрана, где две волны синхронизированы друг с другом, нарастая и спадая одновременно, мы в результате видим очень яркие пятна (их тоже будет несколько). Таким образом, на экране отобразится узор, состоящий из чередующихся темных и светлых пятен, и это именно то, что увидел Юнг во время опыта с расщепленным лучом.

Я демонстрирую этот опыт на своих лекциях, используя красный и зеленый лазерные лучи. Это действительно захватывающее зрелище. Студенты видят, что узор зеленого света очень похож на узор красного, за исключением того, что деление на темные и светлые пятна у зеленого несколько мельче. Зависимость узора от цвета говорит о зависимости его от длины волны света (более подробно о длине волны мы поговорим в следующей главе).

Ученые на протяжении многих веков спорили по поводу того, состоит ли свет из частиц или из волн, и описанный выше эксперимент позволил сделать ошеломляющий и неоспоримый вывод: свет имеет волновую природу. Сегодня мы знаем, что свет может вести себя и как частица, и как волна, но этого не менее поразительного вывода научному миру пришлось ждать еще век, до появления квантовой механики. Впрочем, в данный момент в эту тему погружаться не стоит.

Лучше вернемся к дополнительным радугам. Интерференция световых волн создает темные и светлые полосы. Это явление особенно четко выражено, если диаметр капель составляет около 0,5 миллиметра. Вы можете увидеть изображение дополнительной радуги на сайте .

Эффекты интерференции (часто называемые дифракцией) становятся еще заметнее при диаметре капель меньше 40 микрон (0,04 миллиметра). В этом случае цвета разнесены так сильно, что волны разных цветов полностью перекрываются, все цвета смешиваются и радуга становится белой. В белой радуге часто видна одна или две темные полосы (дополнительные радуги). Белые радуги очень редки, я их ни разу не видел. А вот мой ученик, Карл Уэльс, в середине 1970-х годов прислал мне фотографии нескольких красивых белых радуг. Он сделал фото в летнее время в два часа ночи (да, в два ночи) с Ледяного острова Флетчера, то есть с огромного дрейфующего айсберга (площадью 5 × 11 километров). На тот момент айсберг находился в 500 километрах от Северного полюса.

Белые радуги можно также увидеть в тумане, состоящем из исключительно крошечных капелек воды. Такие радуги трудно, но все же можно заметить; вы могли видеть их много раз, не осознавая этого. Обычно они появляются, когда туман достаточно слабый, чтобы солнечный свет мог через него просвечивать. Оказавшись на берегу реки или в гавани ранним утром, когда солнце еще совсем низко, а туман – обычное явление, я охочусь за белыми радугами в тумане и видел их не раз.

Такую радугу иногда можно создать с помощью автомобильных фар. Если вы окажетесь за рулем в ночном тумане, постарайтесь найти безопасное место для парковки. Или, если вы находитесь у себя дома, когда сгущается туман, разверните автомобиль в сторону тумана и включите фары. Затем отойдите от машины и смотрите на туман в лучах фар. Если вам повезет, вы увидите туманную радугу. Они делают мрак туманной ночи еще более жутким и потусторонним. Вы можете посмотреть, что произошло, когда один парень вдруг увидел такую радугу, которую сам же создал в фарах своего автомобиля, на сайте . Заметили темные полосы в белых дугах?

Размером капель воды и волновой природой света также объясняется еще одно из красивейших оптических явлений, украшающих небо, – глории. Они лучше всего видны, когда летишь в самолете над облаками. Поверьте мне, их действительно стоит поискать. Для этого вы должны сидеть у окна не над крыльями, которые перекрывают вид вниз. Вам также надо убедиться, что солнце находится на стороне самолета, противоположной вашему месту, так что придется обратить внимание на время суток полета и направление рейса. Если из вашего окна видно солнце, эксперимент не получится. (В таком случае просто поверьте моим словам; полное и убедительное объяснение потребовало бы слишком много сложных математических выкладок.) Если все описанные выше условия соблюдены, попытайтесь вычислить место нахождения точки солнечного противостояния и смотрите вниз на нее. Если вам повезет, вы увидите в облаках цветные кольца, а если ваш самолет летит не слишком высоко над облаками, то увидите вокруг его тени глорию. Диаметр глорий варьируется от нескольких до приблизительно 20 градусов. Чем меньше капли, тем больше глории.

Я сделал множество фото глорий; на некоторых хорошо видна тень моего самолета, и, что самое забавное, мое сиденье в авиалайнере находится в самом центре глории, то есть в точке солнечного противостояния.

Впрочем, увидеть глории можно в самых разных местах, а не только из самолета. Альпинисты часто их видят, когда солнце находится у них за спиной, а они сами смотрят вниз в туманную долину. В этих случаях эффект получается довольно пугающий, мрачный и потусторонний. Альпинисты видят собственную тень, проецируемую на туман, в окружении глорий, иногда в нескольких цветных кольцах, и выглядит это весьма мистически. Данное явление также известно как призрак Броккена (или огненная радуга); оно названо так в честь высокого пика в Германии, где его видят особенно часто. На самом деле глории вокруг теней людей настолько похожи на нимбы, а сами фигуры выглядят настолько потусторонними, что вы вряд ли будете сильно удивлены, узнав, что слово glory – это архаизм, обозначающий круг света вокруг головы святого. А в Китае глории называют огнем Будды.

Однажды я сделал чудесное фото собственной тени, окруженной глорией, которое назвал образом святого Уолтера. Много лет назад я по приглашению моих друзей, астрономов из России, приехал в горы Кавказа, чтобы увидеть шестиметровый телескоп. На тот момент это был самый большой телескоп в мире. Погода для наблюдений за небом была просто ужасной. Каждый день, сколько я там пробыл, где-то в половине шестого вечера из лежащей ниже долины поднималась стена тумана, полностью окутывавшая телескоп. По-настоящему полностью; за все время моего визита мы так и не смогли произвести каких-либо наблюдений.

Как бы там ни было, через несколько дней пребывания в горах мне в голову пришла мысль, что я могу тут сделать фантастические снимки. Когда туман начинал заползать из долины, которая находилась на востоке, солнце на западе светило еще ярко – условия, идеальные для глорий. На следующий же день я принес фотоаппарат в обсерваторию и страшно нервничал, что именно в этот день туман откажется со мной сотрудничать. Однако в должное время стена тумана начала наползать, а солнце еще светило; я стоял к нему спиной. Я ждал и ждал, а потом, бум, и вокруг моей тени появился ореол. И я щелкнул. Я не мог дождаться момента, когда проявлю пленку – это была еще доцифровая эпоха, – но игра стоила свеч! Моя тень была длинной и выглядела призрачно, а тень моей камеры оказалась в самом центре колец великолепной глории.

Впрочем, чтобы увидеть нимб вокруг своей головы, вовсе не обязательно забираться в такое экзотическое место, как горы Кавказа. Если вы посмотрите на свою тень на клочке покрытой росой травы ранним солнечным утром (конечно, солнце должно находиться непосредственно позади вас), то сможете увидеть то, что на немецком языке называется Heiligenschein, или «святой свет»: свечение вокруг тени вашей головы (оно не будет разноцветным; это не глория). Данный эффект создают капли росы на траве, отражающие солнечный свет. Если захотите попробовать это сделать – а я надеюсь, что захотите, – то знайте, что это проще, чем найти глории. Вы увидите свечение, потому что это раннее утро и солнце находится низко, следовательно, ваша тень будет довольно длинной и вы будете похожи на удлиненные фигуры с нимбами святых на картинах средневековых художников.

Много разных типов радуг, глорий и нимбов могут удивить вас в самых неожиданных местах. Я, например, встретил свой любимый вид одним солнечным днем в июне 2004 года – помню, это был день летнего солнцестояния, 21 июня; мы приехали в музей Де Кордова в городе Линкольн с Сьюзен (которая в то время еще не стала моей женой), моим сыном и его подругой. Мы уже шли по парку ко входу, когда сын окликнул меня. Прямо перед нами, на земле, распростерлась потрясающая, ярчайшая, почти круговая радуга. (Потому что, как помните, это был день солнцестояния и светило находилось так высоко, как только может находиться в Бостоне, почти под углом в 70 градусов над горизонтом.) Вид был такой, что аж дух захватывало!

Я вытащил фотоаппарат и нащелкал кучу фотографий – так быстро, как только мог. Все получилось уж очень неожиданно. У земли не было ни одной капли воды, и я быстро понял, что эта радуга в любом случае не могла состоять из капель, потому что ее радиус был значительно меньше 42 градусов. И все же выглядело это точно как радуга: красный на внешней стороне дуги, синий на внутренней, а внутри яркий белый свет. Откуда же она взялась? Я понимал, что это чудо состоит из прозрачных, сферических частиц какого-то вещества, но из чего именно?

Одна из сделанных мной тогда фотографий получилась так хорошо, что стала фотографией для астрономических загадок НАСА того дня; ее разместили на сайте НАСА 13 сентября 2004 года. (Это кстати, потрясающий сайт; настоятельно рекомендую заходить на него каждый день по адресу: .) В результате я получил около трех тысяч вариантов отгадок относительно того, что же это такое. Мой любимый ответ – написанное от руки письмо Бенджамина Гайслера четырех лет от роду: «Я думаю, ваша загадочная фотография нарисована цветными карандашами, маркерами и мелками». Сейчас оно висит на доске объявлений у моего кабинета в МТИ. Из всех полученных мной ответов всего тридцать респондентов думали в верном направлении, но только пятеро ответили абсолютно правильно.

Отличной подсказкой к разгадке этой головоломки может служить то, что в музее в тот момент проводили капитальный ремонт. В частности, его стены обрабатывались пескоструйным аппаратом. Маркос Хэнкин, который отвечал за физические демонстрации в Массачусетском технологическом институте и с которым я сотрудничал на протяжении многих лет, сказал мне – тогда я этого не знал, – что в некоторых видах таких аппаратов используются стеклянные шарики. И во дворе музея на земле было разбросано огромное множество крошечных стеклянных бусинок. Я взял горсть домой. Так что то, что мы тогда видели, было стеклянной радугой, ставшей в настоящее время официальной категорией радуг – радуг, образованных стеклянными шариками; она имеет радиус около 28 градусов, но точное значение зависит от типа стекла бусин.

Нам с Маркосом страшно захотелось создать собственную стеклянную радугу для моих лекций. Мы купили несколько килограммов стеклянных бусин, приклеили их на большие листы черной бумаги и прикрепили бумагу к доске в аудитории. Затем, в самом конце моей лекции о радугах, мы направили луч прожектора на эту бумагу из задней части лекционного зала. И у нас получилось! Я пригласил студентов по очереди выходить в переднюю часть аудитории, вставать перед доской и отбрасывать тень прямо в середину своей собственной стеклянной радуги.

Это был потрясающий эксперимент, и вы можете попробовать провести его у себя дома, потому что создать стеклянную радугу не так уж и сложно. Все зависит от ваших целей. Если вы хотите увидеть только цвета радуги, это довольно легко. Если же хотите увидеть всю радугу целиком, окружающую, словно нимб, вашу голову, придется потрудиться.

Чтобы увидеть небольшой кусочек радуги, вам потребуется лишь кусок черного картона размером 30 квадратных сантиметров, прозрачный аэрозольный клей (мы использовали 3M’s Spray Mount Artist’s Adhesive, но подойдет любой прозрачный аэрозольный клей) и прозрачные сферические стеклянные бусины. Они обязательно должны быть прозрачными и сферической формы. Мы использовали «грубый стеклянный абразив для пескоструйной обработки» с диапазоном диаметра от 150 до 250 микрон.

Разбрызгайте клей по куску картона и посыпьте бусинами. Среднее расстояние между ними не особенно важно, но чем ближе шарики друг к другу, тем лучше. Будьте осторожны с бусинками. Возможно, стоит заняться этим во дворе, чтобы они не рассыпались по полу комнаты. Дайте клею высохнуть, дождитесь солнечного дня и выходите на улицу.

Найдите воображаемую линию (напоминаю, она идет от вашей головы до ее тени на земле). Поместите картон где-то на ней; теперь вы видите на картоне тень своей головы (если солнце в небе низко, можно поставить картон на стул, если высоко, положите картонку на землю; как вы помните, стеклянные шарики в музее Де Кордова тоже лежали на земле). Насколько далеко картон будет находиться от вашей головы, зависит от вас. Предположим, вы поместите его на расстоянии 1,2 метра. Затем сместите его примерно на 0,6 метра от воображаемой линии в направлении, перпендикулярном ей. (Двигать картонку можно в любом направлении – влево, вправо, вверх, вниз!) И увидите цвета стеклянной радуги. А если вы решили поставить картон подальше, скажем на расстоянии 1,5 метра, то, чтобы увидеть цвета радуги, надо сместить его на 0,75 метра. Возможно, у вас возник вопрос, как я получил эти цифры? Все просто: радиус стеклянной радуги составляет около 28 градусов.

После того как увидите цвета радуги, можно подвигать картон по кругу по воображаемой линии и найти другие ее части. Так вы получите всю круговую радугу по частям – точно так же, как мы делали с помощью садового шланга.

Если же вам хочется увидеть всю радугу целиком, окружающую тень вашей головы, потребуется больший кусок черного картона – полный квадратный метр – и намного большее количество стеклянных шариков, приклеенных к нему. Встаньте так, чтобы тень головы находилась близко к центру картона. Если расстояние между вашей головой и картоном будет около 80 сантиметров, вы увидите всю стеклянную радугу полностью. Но если поставите картон слишком далеко, скажем на расстоянии 1,2 метра, то всю радугу не увидите. Так что дерзайте! Выбор за вами.

В пасмурный день можете попробовать провести эксперимент в закрытом помещении, как я на своих лекциях, то есть наведя очень сильный луч света – например, с помощью прожектора – на стену, к которой прикреплен картон с бусинами. Встаньте так, чтобы источник света находился позади вас, а тень вашей головы – в центре картонки размером квадратный метр. Встав в 80 сантиметрах от картона, вы должны увидеть радугу, окружающую вашу тень, целиком. Добро пожаловать в стеклянную радугу!

Конечно, чтобы оценить красоту радуги или другого атмосферного явления, необязательно понимать, как она создается, но знание физической природы радуг позволяет взглянуть на них по-новому (я называю это красотой знаний). Мы становимся более внимательными к этим чудесам природы и в один прекрасный день встречаем их в саду туманным утром, моясь в душе, прогуливаясь у фонтана или выглядывая из иллюминатора самолета, когда остальные пассажиры смотрят фильм. Я надеюсь, что в следующий раз, почувствовав зарождение радуги, вы повернетесь спиной к солнцу, посмотрите под углом приблизительно 42 градуса от воображаемой линии и увидите на небе красный верхний обод прекрасной радуги.

И вот вам мой прогноз. В следующий раз, увидев радугу, вы наверняка постараетесь убедиться, что красная полоса находится на ее внешней стороне, а синяя (фиолетовая) – на внутренней; вы постараетесь найти вторичную радугу и подтвердить, что цвета в ней поменялись местами; вы увидите, что небо внутри первичной радуги очень яркое и намного темнее за ее пределами; а если вы носите с собой линейный поляризатор (что я рекомендую делать всегда), то не преминете проверить, действительно ли обе радуги сильно поляризованы. Вы просто не сможете противостоять искушению все это проделать. Это болезнь, которая отныне будет преследовать вас до конца жизни. Каюсь, это я вас ею заразил, но вылечить уже не смогу и, признаться, не испытываю по этому поводу ни малейших угрызений совести!