Для уменьшения количества рассеянного света линзы покрывают тонкими прозрачными пленками. Казалось бы, из-за роста числа поверхностей потери на отражение только возрастут, но благодаря интерференции эффект оказывается противоположным. Если взять пленку толщиной в четверть длины волны, световые колебания, отразившиеся от нее и от скрытой за ней поверхности линзы, сдвинутся на половину длины волны, выйдут наружу в противофазе (горбы к впадинам) и полностью погасят друг друга. То есть от поверхности линзы ничего не отразится. Этот прием называют «просветлением оптики», поскольку свет, который не был в итоге отражен, проходит сквозь линзу и участвует в построении изображения. То есть просветление не только подавляет блики, но и снижает потери света в объективе.

Конечно, полное гашение бликов — недостижимый на практике идеал. Свет состоит из волн разной длины, а толщина пленки фиксирована. Обычно ее выбирают так, чтобы наилучшее гашение достигалось в зеленой области спектра, на которую приходится максимальная чувствительность глаза или матрицы фотоаппарата. На краях же спектра подавление бликов работает хуже, и поэтому на просвет оптика с покрытиями выглядит желтовато-оранжевой или сине-фиолетовой. Для полного гашения бликов также нужно, чтобы отражения от поверхности пленки и от стекла под ней имели одинаковую интенсивность, а этого тоже пока добиться не удается. Простое «четвертьволновое» просветляющее покрытие способно снизить потери света на каждой оптической поверхности с 4 до 2%. Для достижения еще большего эффекта применяют многослойные покрытия, которые рассеивают всего полпроцента света.

В воде, где световые волны становятся на четверть короче, цвет таких бабочек меняется. Фото: SPL/EAST NEWS

В обход препятствий

Все приведенные примеры интерференции являются очень простыми. В них исходная волна разделяется на две за счет частичного отражения, а потом полученные волны складываются с небольшим сдвигом. Но есть и более сложные проявления интерференции множества числа волн.

Простейший пример такой сложной интерференции — сам процесс распространения световой волны. Если следовать Гюйгенсу, каждая точка в пространстве, которой достигли световые колебания, сама становится их источником. Но разве в таком случае свет не заполнит все пространство, подобно воде, затопляющей долину?

Объяснение парадокса кроется в тщательном учете влияния всех волн. На каждом гребне находится бесконечное число точек, и каждая из них действительно служит источником маленькой круговой волны. Но если посмотреть, какая картина сложится спустя небольшой промежуток времени, то окажется, что в большинстве точек пространства эти волны, сложившись, погасят друг друга и только немного впереди по ходу первоначальной волны они взаимно усилятся. Это и будет новое положение движущейся волны.

Правда, такой результат получается, только если фронт волны простирается во все стороны и ничем не ограничен. Если же на пути встречается препятствие, волны «затекают» за него, и там, где, казалось бы, должна быть густая тень, появляется немного света. Эта способность обтекать препятствия называется «дифракцией». Нередко ее указывают в числе первичных свойств любых волн. Но, как мы видим, на самом деле дифракция — лишь одно из проявлений интерференции, сложения множества самостоятельно распространяющихся волн.

Дифракция не приводит к полному размыванию света по пространству лишь потому, что по сравнению с предметами повседневного обихода длина световых волн очень мала. Зато в микромире дифракция ставит предел разрешению микроскопов: объекты размером меньше длины волны обтекаются светом, как будто их просто нет. А еще именно благодаря дифракции мы можем пользоваться в домах сотовой связью — радиоволны добираются до сотовых трубок, «затекая» в комнаты наших домов в обход экранирующих железобетонных конструкций.

Александр Сергеев

Рис. SPL/EAST NEWS

На протяжении нескольких веков космогония — астрономическая дисциплина, изучающая возникновение и развитие планетных систем, — занималась лишь умозрительными гипотезами. Однако в последние десятилетия ситуация радикально изменилась. Теперь космогонические исследования прочно опираются на фундамент физических законов, точных компьютерных моделей и данных наблюдений планетных систем у других звезд.

За полвека до появления теории всемирного тяготения Рене Декарт рассуждал о мировом эфирном вихре, в котором, как пыль на оси смерча, сгущается Солнце, а вокруг вихри поменьше формируют планеты. Это была первая вполне научная космогоническая гипотеза, которая объясняла, почему планеты обращаются вокруг Солнца в одной плоскости и в одном направлении.

Спустя почти два века Пьер Симон Лаплас писал уже о сжатии первичной туманности под действием гравитации и о том, что ее вращение будет при этом ускоряться в соответствии с законом сохранения момента импульса. Когда вращение, полагал он, становится слишком быстрым, от экватора будущего Солнца отделяются кольца газа, из которых потом формируются планеты.

К сожалению, в небулярную (от латинского nebula — «туманность») гипотезу Лапласа никак не укладывалось медленное вращение Солнца вокруг своей оси. Делая один оборот за 26 суток, оно несет всего 2% от полного углового момента (момента импульса, то есть, грубо говоря, «количества» вращательного движения) всего вещества Солнечной системы. Остальные же 98% приходятся на планеты, которые в 750 раз уступают Солнцу по массе. Представьте себе самосвал с песком, тормозящий перед светофором. Из-за резкой остановки немного песка просыпается и по инерции уносится вперед... со скоростью пули. Невероятно? Но столь же парадоксальной выглядит и концентрация большей части вращения Солнечной системы в нескольких ничтожных по массе планетах. Споткнувшись на этой проблеме, космогония полтора века топталась на месте и в какой-то момент даже пошла по неверному пути.

Неустойчивость Джинса

Мало кто знает, что идеи эволюции связаны с именем Чарлза Дарвина не только в биологии, но и косвенным образом в астрономии. Его сын Джордж Дарвин долгое время исследовал эволюцию системы Земля — Луна под действием приливных сил и возмущений других планет. Признанием его заслуг стала кафедра астрономии в знаменитом Тринити-колледже в Кембридже, где когда-то преподавал Исаак Ньютон, а также избрание председателем Королевского астрономического общества.

На рубеже XIX и XX веков Джордж Дарвин предложил своему студенту Джеймсу Джинсу изучить вопрос о равновесии газового облака в космическом пространстве: при каких условиях давление газа может уравновесить его собственное тяготение. Исследовав задачу, Джинс неожиданно пришел к выводу, что она не имеет решений. Расчеты, опубликованные в 1902 году, показывали, что любое космическое облако обречено либо на рассеяние, либо на неудержимое сжатие под действием собственного тяготения. Такой исход зависит от соотношения трех параметров: размеров, плотности и температуры облака. Маленькое разреженное и горячее облако рассеется, большое плотное и холодное — сожмется. Если достаточно обширное пространство однородно заполнить газом, то он из-за случайных флуктуаций плотности самопроизвольно распадется на облака, размер которых определится температурой и плотностью. В горячем газе фрагменты будут крупнее, в холодном — меньше.

Это явление получило название «джинсовской неустойчивости». Через нее в астрономию вошла эволюция, хотя в полной мере это было осознано только полвека спустя. Именно джинсовская неустойчивость объясняет, почему горячий газ в ранней Вселенной стал распадаться на колоссальные области, в которых позднее, при более низкой температуре, начали появляться многочисленные зародыши галактик. Внутри Галактики газопылевые комплексы, в сотни тысяч раз превосходящие по массе Солнце, в определенный момент начинают фрагментироваться и сжиматься, становясь очагами образования звезд, а с ними и планет.