Можно ли сделать солнечный закат в чашке с молоком?

Удивительно то, что в стакане молока действительно можно сделать закат. Тот же оранжево-красный узор цветов, который вы видите, когда садится солнце, можно создать в чашке с молоком, если вы правильно все сделаете.

Физика, которая сделает вашу чашку с молоком оранжевым и красным, является той же самой физикой, которая делает небо на закате оранжевым и красным. В этом смысле вы сможете буквально сделать закат в своей чашке с молоком. Для этого даже не нужно солнце. Давайте сначала рассмотрим основы физики, а затем поймем, как сделать солнечный закат в чашке.

Когда свет рассеивается от объекта, размер которого намного превышает его длину волны, он действует как маленький шарик. Из-за этого свет разных цветов отражается от большого объекта под одним и тем же углом. Этот тип рассеяния называется «геометрическим рассеянием».

Это тип рассеяния, с которым мы больше всего знакомы в повседневной жизни. Красный свет имеет длину волны 630 нанометров. Напротив, диаметр яблока составляет около 8 сантиметров, что примерно в 130 000 раз больше, чем длина волны красного света. Таким образом, красный свет определенно геометрически отражается от яблока.

Так как белый свет состоит из всех видимых цветов, белый свет на объекте, который (объект) намного больше длины волны света, заставляет разные цвета отражаться под одним и тем же углом. Это приводит к двум эффектам, когда большой объект освещается белым светом:

• объект имеет один и тот же цвет независимо от того, под каким углом он рассматривается
• общий цвет объекта в значительной степени определяется тем, какие цвета поглощаются и не поглощаются.

Например, березовый лист намного больше длины волны видимого света и, таким образом, вызывает геометрическое рассеяние света. Здоровый березовый лист поглощает красный, оранжевый, желтый, синий и фиолетовый свет от всего спектра цветов, присутствующих в падающем белом солнечном свете.

Таким образом, лист отражает только зеленый свет. Мы видим лист как зеленый, поскольку это единственный цвет луча света, который достигает наших глаз. Кроме того, лист выглядит зеленым со всех сторон. Поскольку цвет большого объекта в основном определяется его спектром поглощения, который обычно постоянен для всех объектов, состоящих из одного и того же материала, цвет большого объекта одинаков для всех объектов одного класса.

Например, на дубе все здоровые листья зеленые. Поскольку при оптическом рассеянии цвет постоянен для всех углов обзора и для всех объектов в классе, люди склонны думать о цвете как о врожденном свойстве самого объекта, что является полезным, но неточным упрощением.

В отличие от геометрического рассеяния, рэлеевское рассеяние включает в себя рассеяние света от объектов, которые намного меньше длины волны света. Когда свет рассеивается таким объектом, он не действует как шарик, отражающийся от точки на поверхности объекта. Скорее, свет действует как колеблющееся однородное электрическое поле, которое полностью охватывает объект.

В результате свет в той или иной степени рассеивается во всех направлениях. Кроме того, количество света, рассеиваемого в определенном направлении, зависит от цвета луча света, а не от геометрии поверхности объекта. Это приводит к двум эффектам, когда небольшой объект (меньше примерно 100 нанометров) освещается белым светом:

• объект имеет другой цвет в зависимости от того, под каким углом он просматривается
• цвет объекта не определяется формой или свойствами материала поверхности объекта.

Какая картина цвета создается рассеянием Рэлея? Объект, показывающий рэлеевское рассеяние, рассеивает в основном синий и фиолетовый цвета в боковом направлении, оставляя красный, оранжевый, желтый, зеленый и меньшее количество синего и фиолетового, чтобы продолжить движение в прямом направлении.

Поскольку маленькие объекты не рассеивают очень много света, и поскольку люди не могут видеть небольшое количество света, людям требуется большое количество мелких объектов, чтобы увидеть свет, создаваемый рассеянием Рэлея.

Кроме того, объекты должны быть равномерно распределены, чтобы они действовали как независимые объекты. Если набор маленьких объектов ближе друг к другу, чем длина волны света, они будут действовать как один большой объект.

Когда вы думаете о небольших объектах, рассеянных в атмосфере, вы, вероятно, думаете о частицах пыли, частицах загрязнения, каплях дождя, каплях тумана и маленьких каплях жидкой воды, из которых состоят облака. Оказывается, что по сравнению с длиной волны видимого света все эти объекты слишком велики, чтобы участвовать в рэлеевском рассеянии.

Вместо этого эти объекты в основном создают геометрическое рассеяние, которое имеет тенденцию рассеивать все цвета одинаково во всех направлениях. По этой причине пыль, загрязнения, дождь, туман и облака имеют тенденцию быть белыми или вариациями белого цвета, такими как серый или коричневый.

Объекты в небе, которые достаточно малы, чтобы отображать рэлеевское рассеяние, — это сами молекулы воздуха, которые в основном представляют собой молекулы азота (N₂) и молекулы кислорода (O₂). Каждая молекула воздуха рассеивает синий и фиолетовый цвета больше всего в боковом направлении и позволяет другим цветам продолжать распространяться в прямом направлении.

Вот почему дневное небо голубое (дневное небо не выглядит фиолетовым по нескольким причинам , главная из которых состоит в том, что человеческий глаз плохо видит фиолетовый цвет). Вокруг заката между солнцем и наблюдателем столько воздуха, что синие цвета уже рассеялись по другим частям земли, оставив в основном красный и оранжевый цвета.

Молоко в основном представляет собой набор крошечных покрытых белком капель масла, взвешенных в воде. Эти капли достаточно малы, чтобы вызвать рэлеевское рассеяние. Поэтому, пропуская свет через стакан с молоком, можно получить те же цветовые эффекты, что и в небе.

Однако в обычном молоке такая высокая концентрация масляных капель, что каждый световой луч многократно рассеивается, прежде чем выйти из чашки. Каждая серия событий множественного рассеяния имеет тенденцию к рандомизации и усреднению цветовых эффектов рэлеевского рассеяния.

В результате чашка молока обычной концентрации просто выглядит белой. Чтобы увидеть цветовые эффекты, вам нужно разбавить молоко. Это приведет к тому, что масляные капли разойдутся настолько, что световые лучи рассеются только один раз.

Возьмите прозрачную стеклянную чашку с гладкой поверхностью и наполните ее водой почти до верха. Затем по капле наливайте в чашку молоко. После добавления каждой капли смешайте все вместе и посмотрите на яркую лампочку через чашку. Продолжайте добавлять капли молока, пока лампочка не станет красной или оранжевой, если смотреть на нее сквозь чашку.

И вот у вас уже закат в чашке! Чтобы усилить эффект, сделайте это ночью, когда выключите весь свет, кроме одной лампочки, на которую вы смотрите через чашку. Затем расположитесь так, чтобы смотреть сбоку чашки относительно воображаемой линии, соединяющей чашку и лампочку. Теперь вы видите синий цвет и у вас дневное небо в чашке.