Поляризованный свет в природе
Явление поляризации света, изучаемое и в школьном и в институтском курсах физики, остается в памяти многих из нас как любопытный, находящий применение в технике, но не встречающийся в повседневной жизни оптический феномен. Голландский физик Г. Кеннен в своей статье, опубликованной в журнале «Натуур эн техниек», показывает, что это далеко не так – поляризованный свет буквально окружает нас.
Человеческий глаз весьма чувствителен к окраске (то есть длине волны) и яркости света, но третья характеристика света, поляризация, ему практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой». В этом отношении некоторые представители животного мира гораздо совершеннее нас. Например, пчелы различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Человеку можно объяснить, что такое поляризация, с помощью специальных светофильтров он может увидеть, как меняется свет, если «вычесть» из него поляризацию, но представить себе картину мира «глазами пчелы» мы, видимо, не можем (тем более что зрение насекомых отличается от человеческого и во многих других отношениях).
Рис. 1. Схема строения зрительных рецепторов человека (слева) и членистоногого (справа). У человека молекулы родопсина расположены беспорядочно с складках внутриклеточной мембраны, у членистоногих – на выростах клетки, аккуратными рядами
Поляризация – это ориентированность колебаний световой волны в пространстве. Эти колебания перпендикулярны направлению движения луча света. Элементарная световая частица (квант света) представляет собой волну, которую можно сравнить для наглядности с волной, которая побежит по канату, если, закрепив один его конец, другой встряхнуть рукой. Направление колебаний каната может быть различным, смотря по тому, в каком направлении встряхивать канат. Точно так же и направление колебаний волны кванта может быть разным. Пучок света состоит из множества квантов. Если их колебания различны, такой свет не поляризован, если же все кванты имеют абсолютно одинаковую ориентацию, свет называют полностью поляризованным. Степень поляризации может быть различной в зависимости от того, какая доля квантов в нем обладает одинаковой ориентацией колебаний.
Существуют светофильтры, пропускающие только ту часть света, волны которой ориентированы определенным образом. Если через такой фильтр смотреть на поляризованный свет и при этом поворачивать фильтр, яркость пропускаемого света будет меняться. Она будет максимальна при совпадении направления пропускания фильтра с поляризацией света и минимальна при полном, (на 90°) расхождении этих направлений. С помощью фильтра можно обнаружить поляризацию, превышающую примерно 10%, а специальная аппаратура обнаруживает поляризацию порядка 0,1%.
Поляризационные фильтры, или поляроиды, продаются в магазинах фотопринадлежностей. Если через такой фильтр смотреть на чистое голубое небо (при облачности эффект выражен гораздо слабее) примерно в 90 градусах от направления на Солнце, то есть чтобы Солнце было сбоку, и при этом фильтр поворачивать, то ясно видно, что при некотором положении фильтра на небе появляется темная полоса. Это свидетельствует о поляризованности света, исходящего от этого участка неба. Поляроидный фильтр открывает нам явление, которое пчелы видят «простым глазом». Но не надо думать, что пчелы видят ту же темную полосу на небе. Наше положение можно сравнить с положением полного дальтоника, человека, неспособного видеть цвета. Тот, кто различает только черное, белое и различные оттенки серого цвета, мог бы, смотря на окружающий мир попеременно через светофильтры различного цвета, заметить, что картина мира несколько меняется. Например, через красный фильтр иначе выглядел бы красный мак на фоне зеленой травы, через желтый фильтр стали бы сильнее выделяться белые облака на голубом небе. Но фильтры не помогли бы дальтонику понять, как выглядит мир человека с цветным зрением. Так же, как цветные фильтры дальтонику, поляризационный фильтр может лишь подсказать нам, что у света есть какое-то свойство, не воспринимаемое глазом.
Поляризованность света, идущего от голубого неба, некоторые могут заметить и простым глазом. По данным известного советского физика академика С.И. Вавилова, этой способностью обладают 25. 30% людей, хотя многие из них об этом не подозревают. При наблюдении поверхности, испускающей поляризованный свет (например, того же голубого неба), такие люди могут заметить в середине поля зрения слабо-желтую полоску с закругленными концами.
Рис. 2. Фигура Гайдингера
Еще слабее заметны голубоватые пятнышки в ее центре, по краям. Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера, она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 году. Способность видеть эту фигуру можно развивать, если хотя бы раз удастся ее заметить. Интересно, что еще в 1855 году, не будучи знакомым со статьей Гайдингера, напечатанной за девять лет до того в одном немецком физическом журнале, Лев Толстой писал («Юность», глава XXXII): «. я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает. » Такова была наблюдательность великого писателя.
В неполяризованном свете (1) колебания электрической и магнитной составляющей идут в самых разных плоскостях, которые можно свести к двум, выделенным на этом рисунке. Но колебаний по пути распространения луча нет (свет в отличие от звука – не продольные колебания). В поляризованном свете (2) выделена одна плоскость колебаний. В свете, поляризованном по кругу (циркулярно), эта плоскость закручивается в пространстве винтом (3). Упрощенная схема объясняет, почему поляризуется отраженный свет (4). Как уже сказано, все существующие в луче плоскости колебаний можно свести к двум, они показаны стрелками. Одна из стрелок смотрит на нас и условно видна нам как точка. После отражения света одно из существующих в нем направлений колебаний совпадает с новым направлением распространения луча, а электромагнитные колебания не могут быть направлены вдоль пути своего распространения.
Фигуру Гайдингера можно увидеть гораздо яснее, если смотреть через зеленый или синий светофильтр.
Поляризованность света, исходящего от чистого неба, – лишь один из примеров явлений поляризации в природе. Другой распространенный случай – это поляризованность отраженного света, бликов, например, лежащих на поверхности воды или стеклянных витрин. Собственно, фотографические поляроидные фильтры и предназначены для того, чтобы фотограф мог в случае необходимости устранять эти мешающие блики (например, при съемке дна неглубокого водоема или фотографировании картин и музейных экспонатов, защищенных стеклом). Действие поляроидов в этих случаях основано на том, что отраженный свет в той или иной степени поляризован (степень поляризации зависит от угла падения света и при определенном угле, разном для разных веществ, – так называемом угле Брюстера – отраженный свет поляризован полностью). Если теперь смотреть на блик через поляроидный фильтр, нетрудно подобрать такой поворот фильтра, при котором блик полностью или в значительной мере подавляется.
Применение поляроидных фильтров в противосолнечных очках или ветровом стекле позволяет убрать мешающие, слепящие блики от поверхности моря или влажного шоссе.
Почему поляризован отраженный свет и рассеянный свет неба? Полный и математически строгий ответ на этот вопрос выходит за рамки небольшой научно-популярной публикации (читатели могут найти его в литературе, список которой приведен в конце статьи). Поляризация в этих случаях связана с тем, что колебания даже в неполяризованном луче уже в определенном смысле «поляризованы»: свет в отличие от звука не продольные, а поперечные колебания. В луче нет колебаний по пути его распространения (см. схему). Колебания и магнитной и электрической составляющей электромагнитных волн в неполяризованном луче направлены во все стороны от его оси, но не по этой оси. Все направления этих колебаний можно свести к двум, взаимно перпендикулярным. Когда луч отражается от плоскости, он меняет направление и одно из двух направлений колебаний становится «запретным», так как совпадает с новым направлением распространения луча. Луч становится поляризованным. В прозрачном веществе часть света уходит вглубь, преломляясь, и преломленный свет тоже, хотя и в меньшей степени, чем отраженный, поляризован.
Рассеянный свет неба не что иное, как солнечный свет, претерпевший многократное отражение от молекул воздуха, преломившийся в капельках воды или ледяных кристаллах. Поэтому в определенном направлении от Солнца он поляризован. Поляризация происходит не только при направленном отражении (например, от водной глади), но и при диффузном. Так, с помощью поляроидного фильтра нетрудно убедиться, что поляризован свет, отраженный от покрытия шоссе. При этом действует удивительная зависимость: чем темнее поверхность, тем сильнее поляризован отраженный от нее свет. Эта зависимость получила название закона Умова, по имени русского физика, открывшего ее в 1905 году. Асфальтовое шоссе в соответствии с законом Умова поляризовано сильнее, чем бетонное, влажное – сильнее, чем сухое. Влажная поверхность не только сильнее блестит, но она еще и темнее сухой.
Заметим, что свет, отраженный от поверхности металлов (в том числе от зеркал – ведь каждое зеркало покрыто тонким слоем металла), не поляризован. Это связано с высокой проводимостью металлов, с тем, что в них очень много свободных электронов. Отражение электромагнитных волн от таких поверхностей происходит иначе, чем от поверхностей диэлектрических, непроводящих.
Поляризация света неба была открыта в 1871 году (по другим источникам даже в 1809 году), но подробное теоретическое объяснение этого явления было дано лишь в середине нашего века. Тем не менее, как обнаружили историки, изучавшие древние скандинавские саги о плаваниях викингов, отважные мореходы почти тысячу лет назад пользовались поляризацией неба для навигации. Обычно они плавали, ориентируясь по Солнцу, но, когда светило было скрыто за сплошной облачностью, что не редкость в северных широтах, викинги смотрели на небо через специальный «солнечный камень», который позволял увидеть на небе темную полоску в 90° от направления на Солнце, если облака не слишком плотны. По этой полосе можно судить, где находится Солнце. «Солнечный камень» – видимо, один из прозрачных минералов, обладающих поляризационными свойствами (скорее всего распространенный на севере Европы исландский шпат), а появление на небе более темной полосы объясняется тем, что, хотя за облаками Солнца и не видно, свет неба, проникающий через облака, остается в какой-то степени поляризованным. Несколько лет назад, проверяя это предположение историков, летчик провел небольшой самолет из Норвегии в Гренландию, в качестве навигационного прибора пользуясь только кристаллом минерала кордиерита, поляризующего свет.
Уже говорилось, что многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Что придает глазу насекомых такую способность? Дело в том, что в глазе млекопитающих (и в том числе человека) молекулы светочувствительного пигмента родопсина расположены беспорядочно, а в глазе насекомого те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позволяет им сильнее реагировать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул. Фигуру Гайдингера можно видеть потому, что часть нашей сетчатки покрыта тонкими, идущими параллельно волокнами, которые частично поляризуют свет.
Любопытные поляризационные эффекты наблюдаются и при редких небесных оптических явлениях, таких, как радуга и гало. То, что свет радуги сильно поляризован, обнаружили в 1811 году. Вращая поляроидный фильтр, можно сделать радугу почти невидимой. Поляризован и свет гало – светящихся кругов или дуг, появляющихся иногда вокруг Солнца и Луны. В образовании и радуги и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса, как мы уже знаем, приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния.
Наконец, следует отметить, что поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Свет, испускаемый ею, – это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано.
Вернувшись на Землю, отметим, что некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо. Металлический отблеск спинки такого жука при рассмотрении через специальный фильтр, выявляющий круговую поляризацию, оказывается левозакрученным. Все эти жуки относятся к семейству скарабеев, В чем биологический смысл описанного явления, пока неизвестно.
- Брэгг У. Мир света. Мир звука. М.: Наука, 1967.
- Вавилов С.И. Глаз и Солнце. М.: Наука, 1981.
- Венер Р. Навигация по поляризованному свету у насекомых. Журн. «Сайентифик америкен», июль 1976 г.
- Жевандров И.Д. Анизотропия и оптика. М.: Наука, 1974.
- Кеннен Г.П. Невидимый свет. Поляризация в природе. Журн. «Натуур эн техниек». №5. 1983.
- Миннарт М. Свет и цвет в природе. М.: Физматгиз, 1958.
- Фриш К. Из жизни пчел. М.: Мир, 1980.
Источник
Источники поляризованного света
Прямой солнечный свет, свет в мутной воде, собственное свечение атмосферы, огонь, молния, флуоресценция, триболюминесценция, сонолюминесценция и прямой свет от полной луны и планет за пределами Солнечной системы являются неполяризованными. Солнечная корона, небесный свет, радуга, гало, зодиакальный свет, кометы, подводный свет в океане, отражённый свет, красное полярное сияние, эмиссия горячих металлов, лавы и турмалина, а также свет от неполной луны и планет Солнечной системы иногда является поляризированным. За двумя исключениями (которые мы рассмотрим через мгновение), вторую группу от первой отличает наличие рассеяния.
В природе поляризованный свет появляется за счёт рассеяния. Однако не все виды рассеяния одинаково эффективны для поляризации света. Два вида работают лучше всего. Первый – однократное рассеяние частицами, намного меньшими чем длина волны падающего света. Помните уравнение 8 из главы 5, в котором показано, как малые частицы рассеивают свет?
Я добавил выражение 1 + cos 2 θ без каких-либо объяснений, сказав, что я доберусь до него позже. Ну, будущее уже здесь, как говорится.
Это уравнение на самом деле представляет собой сумму двух выражений, по одному для каждой из двух перпендикулярных поляризаций падающего света. Это связано с тем, что поляризация падающего света влияет на то, как малая частица рассеивает его. Представьте себе, что луч света проходит слева направо, а затем ударяет маленькую частицу, приклеенную к странице (рисунок 8.2).
Рисунок 8.2 Зависимость поляризации от рэлеевского рассеяния. Падающий свет поступает слева. Поляризационная составляющая с e-вектором, параллельным странице, рассеивается преимущественно вперед и назад (сплошная линия). Другая поляризационная составляющая разбросана поровну во всех направлениях (пунктирная линия).
Для одной поляризации, называемой «параллельной», поскольку она параллельна странице, свет рассеивается в основном вперед и назад, и совсем не рассевается по сторонам. Уравнение:
Для другой поляризации, называемой «перпендикулярной», поскольку она перпендикулярна первой поляризации, свет рассеивается одинаково во всех направлениях:
Не беспокойтесь чрезмерно об уравнениях. Кроме того, не беспокойтесь о «параллельном» и «перпендикулярном» – они являются частью договора о наименованиях, который редко появляется в биологии. Важно часть в том, что, когда угол θ равен 90°, весь рассеянный свет будет иметь одинаковую ось e-вектора. Другими словами, он будет полностью поляризован. Свет, рассеянный под другими углами, будет частично поляризован, за исключением света, рассеянного непосредственно вперед или назад, который будет неполяризован, поскольку косинус 0° и 180° равен единице.
Как мы обсуждали в главе 3, голубой цвет неба является результатом однократного рассеяния света малыми частицами (в данном случае молекулами азота и кислорода), что также объясняет, почему свет сильно поляризован. Как и следовало ожидать, поляризация небесного света наиболее слаба вблизи Солнца и около 180° от Солнца, и наиболее сильна около 90° от Солнца (Вклейка 8).
Вклейка 8: (A-C) Пространственное распределение яркости и цвета, степени поляризации и угла поляризации в ясном небе на разных высотах солнца от рассвета (1) до полудня (7). (D, E) Образцы, предсказанные для идеального неба. (F-H) То же, что и (A-C), но с облачным небом. Красная или чёрная области неба в столбцах B, G или C, H, соответственно, переэкспонированы. Положение солнца обозначается черной или белой точкой. Поперечная полоса на снимках представляет собой провод, удерживающий маленький диск, заслоняющий солнце. Из Pomozi et al., 2001.
Значения не соответствуют точь-в-точь 0°, 180° и 90°, поскольку наше небо не идеально. Лучший способ увидеть поляризацию небесного света – это смотреть на небо сквозь солнцезащитные очки Polaroid на рассвете или в сумерках. Когда вы вращаете головой, появляется и исчезает большая тёмная полоса, разделяющая небо на солнечную и антисолнечную половину. Около 5% людей могут видеть вариант этого эффекта без очков Polaroid. Вместо тёмной полосы они видят блёклые жёлтые песочные часы, известные как «щётка Гайдингера». Точная причина этого неизвестна, но считается, что это связано с дихроизмом в лютеине, жёлтом пигменте, расположенном в центральной ямке глаза (Bone and Landrum, 1983).
Поляризация небесного света может быть значительной, но никогда не достигает 100%. Конечный размер Солнца, асимметрия молекул в воздухе, большие частицы в воздухе и многократное рассеяние уменьшают максимальное значение поляризации примерно до 80%. Одним из главных виновников является множественное рассеяние. Часто утверждается, что множественное рассеяние разбавляет степень поляризации, подразумевая, что каждое событие рассеяния является искажающим процессом, в результате которого идеальный и сильно поляризованный фотон после декадентского пути приходит к неполяризованным останкам. Однако каждое событие рассеяния на малых частицах создает сильно поляризованный свет, но только на 90° к направлению первоначального движения фотона. В туманной атмосфере мы теряем эту направленность. Когда мы смотрим на участок ясного голубого неба, находящийся в 90° от Солнца, большая часть света, который мы видим, поступает прямо от Солнца, а затем рассеивается на 90° к нашему глазу. Однако, если небо мглисто, то рассматриваемый нами участок также освещён светом, исходящим из других мест, и, следовательно, он не был рассеян на 90°. Добавление этого света наряду с уменьшением прямого солнечного света, достигающего нашего участка неба, и снижает поляризацию.
Ось e-вектора участка поляризованного небесного света примерно перпендикулярна линии между солнцем и участком. Поэтому, если вы можете видеть несколько лоскутов ясного неба, то теоретически можете с помощью триангуляции определить положение Солнца, даже если оно скрыто за облаками или ландшафтом. Этот факт открыл целую отрасль исследований в области навигации животных, к которой мы вскоре обратимся.
Тот же процесс однократного рассеяния отвечает за подводную поляризацию, основное отличие состоит в том, что свет преимущественно рассеивается молекулами воды, а не кислородом и азотом. Вода также намного плотнее и мутнее воздуха, с множественным рассеянием и рассеянием на капельках воды и пылевых частицах (где поляризация рассеянного света ниже), поэтому степень поляризации обычно ненамного превышает 30%, даже в прозрачной океанской воде. Как и в случае поляризации небесного света, подводная поляризация является максимальной, когда вы смотрите на 90° в сторону от основного направления распространения света, и минимальной при направлении взгляда как по направлению распространения света, так и от него. Таким образом, вблизи поверхности поляризация минимальна при взгляде по направлению или прямо в обратную сторону от видимого солнца (как преломляемого поверхностью воды). Опускаясь глубже, независимо от положения солнца, самый яркий свет идёт сверху вниз, поэтому поляризация минимальна, если смотреть прямо вверх и прямо вниз, и максимальна, если смотреть горизонтально. Таким образом, если не приближаться к поверхности во время захода солнца, поляризация обычно значительная, если смотреть горизонтально. Угол e-вектора в этом направлении примерно горизонтальный, с фактическим углом в зависимости от положения солнца и оптических свойств воды (рис. 8.3).
Рисунок 8.3: Поляризация подводного светового поля. Солнце можно увидеть в юго-западном квадранте рисунка «глядя вверх». Толщина линий означает степень поляризации. Из Cronin et al., 2003.
Другой способ, с помощью которого рассеяние может создавать поляризованный свет, – это когерентное рассеяние, в частности отражение от гладких веществ, таких как стекло, вода и многие листья, или структурно окрашенных объектов, таких как радужные за счёт иризации крылья бабочек. Законы отражения от поверхностей такого рода немного сложны (и приведены в приложении F), но поляризация зависит от угла падающего света довольно простым способом (рис. 8.4).
Рисунок 8.4: Отражение света от поверхности воды. Отражение поляризованной составляющей, параллельной поверхности, возрастает с углом падения света, но отражение другого компонента падает до тех пор, пока он не достигнет нуля по углу Брюстера. Степень поляризации отраженного света при этом угле максимальна.
Если входящий неполяризованный свет попадает на поверхность перпендикулярно, отраженный свет остаётся неполяризованным. Однако по мере увеличения угла между направлением падения света и перпендикуляром к поверхности поляризация отраженного света возрастает до тех пор, пока она не достигнет 100% на так называемом «угле Брюстера». При углах падения света больше угла Брюстера поляризация отраженного свет снова падает до тех пор, пока она не достигнет нуля, когда падающий свет просто слегка касается поверхности. Угол Брюстера легко рассчитать; его тангенс равен m, отношению показателя преломления поверхности материала к показателю преломления окружающей среды. Таким образом, в случае света, отскакивающего от поверхности моря, угол Брюстера представляет собой арктангенс 1,33/1, что составляет 53°. Однако, не слишком сильно концентрируйтесь на точном угле. Поляризация отраженного света высока в широком диапазоне с каждой стороны угла Брюстера.
Несмотря на часто написанное в учебниках, свет, отраженный от металлов, также может быть поляризован, особенно от тех, что плохо проводят электричество, например железо и хром. Степень поляризации примерно достигает только 50%, и поверхность должна быть облучена светом под довольно продольным углом (
10° от поверхности), поэтому её реже наблюдают, но если вы её ищете, она там. Единственными естественными исключениями, которые я знаю из правила «рассеяние является причиной поляризации», являются красное полярное сияние (поляризованное земным магнитным полем) и свет, передаваемый через дихроичные минералы, такие как турмалин (одно из немногих дихроичных веществ реального размера в природе). Поэтому, если вы не заинтересованы полярным освещением в безлунные ночи или жизнью жука в турмалинном руднике, поляризация на основе рассеяния покрывает явление целиком. Большой открытый вопрос заключается в том, имеет ли какое-либо животное линейно поляризованную биолюминесценцию. Этот вопрос исследовался только на небольшом числе видов и может заслуживать дальнейших исследований. Интересно отметить, что личинки светлячков имеют биолюминесценцию круговой поляризации (Wynberg et al., 1980). Вероятно, это просто побочный эффект передачи света через спиральные молекулы кутикулы, но, возможно, стоит приглядеться повнимательнее.
Источник