Можно ли в домашних условиях искривить луч света? Можно. Давайте попробуем.
Для проведения этого опыта вам потребуются:
- Лазерная указка (самая обычная).
- Вода.
- Сахар. Чем больше, тем лучше — после эксперимента его можно будет использовать, чтобы сварить варенье или компот.
- Ёмкость. Удобнее всего использовать узкую стеклянную кювету, но она не всегда под рукой, поэтому подойдёт любой прозрачный сосуд. Его размеры определяются только (не)желанием сэкономить сахар — можно и обрезанную пластиковую бутыль взять.
- Терпение и аккуратность (в разумных пределах).
Шаг 1
Советуем сначала провести предварительный эксперимент.
Наливаем в ёмкость воду, подсвечиваем её через стенки лазерной указкой (если луч не виден, можно добавить каплю молока, но именно каплю). Убеждаемся, что луч света идёт по прямой, в каком бы направлении мы ни светили. Выливаем воду.
Шаг 2
Кипятим чистую воду (2/3 от объёма ёмкости), наливаем кипяток в термос, начинаем засыпать туда сахар. Периодически закрываем термос и сильно трясём, чтобы сахар растворился. Можно, конечно, размешивать сахар ложкой в кастрюле с кипятком, но делать это следует очень аккуратно, чтобы не ошпариться. Сахар разводится в воде из расчёта 1 кг на 1 л.
Шаг 3
Даём жидкости остыть, наливаем её в ёмкость. Затем аккуратно, медленно, небольшой струйкой доливаем сверху обычную воду. Наша задача — сделать так, чтобы вода не особо перемешивалась с раствором (можно даже подставить по ходу струи бумажку, чтобы она смягчила напор). Важно также, чтобы сладкая вода и обычная были одной температуры.
Шаг 4
Светим лазерной указкой сквозь стенку ёмкости параллельно поверхности воды на небольшой глубине — луч распространяется по прямой. Но стоит нам уйти глубже и посветить лазером под углом к стенке снизу вверх, луч начнёт изгибаться.
Объяснение
Такое странное поведение луча связано с тем, что жидкость в сосуде неоднородная: насыщенный раствор сахара плотнее воды, которую мы аккуратно налили сверху. В результате диффузии происходит выравнивание плотности, но процесс это небыстрый, поэтому в нашей экспериментальной ёмкости получился градиент плотности раствора: она возрастает в направлении от поверхности вниз. В неоднородной среде траектория светового луча не прямолинейная. Переходя из слоя в слой, свет преломляется — постепенно изменяет своё направление. Это явление называют рефракцией.
Этот же механизм лежит в основе миражей. Вот представьте: жарким днём вы едете на машине или велосипеде по асфальтовой дороге и видите впереди лужу, в которой отражаются придорожные деревья. Подъезжаете ближе — нет, сухо. Это был мираж, аналогичный миражу «вода в пустыне».
Но какое отношение имеет искривление световых лучей к миражам? Дело в том, что видение — это работа не только глаз, но и мозга. А мозг привык иметь дело исключительно с прямыми лучами: пришёл сигнал сверху — источник тоже сверху, снизу — значит, и источник где-то под ногами. Дуга же ломает этот шаблон: картинка с небом простирается куда-то вдаль, а над поверхностью земли — вблизи разогретого асфальта — начинает искривляться (плотность горячего воздуха меньше, чем более холодного воздуха наверху).
Свет будто не падает, а скатывается с гиперболической горочки. Вот мозг и трактует это как отражённое от асфальта небо. Наверное, там лужа, что ж ещё. Солнечный диск, на закате касающийся горизонта, — это тоже мираж! На самом деле солнце уже зашло, но его лучи, проходя через атмосферу переменной плотности, изгибаются, достигая наших глаз из-под горизонта, и мы видим солнце выше, чем оно есть на самом деле.
Опубликовано в журнале «Вот Шрёдингера» № 45 2020 г.