Стекла для очков, как правило, изготовляются из лучших сортов стекла и полируются с наивысшей степенью точности. Однако любое стекло, в широком смысле этого слова, даже оконное, является линзой.
Все мы имели дело со стеклянными линзами. Даже если кому-нибудь так повезло, что он не пользуется очками, то, вероятно, он когда-нибудь смотрел в очки своего приятеля или в лупу. Мир, который мы видим в линзы, не приспособленные для нашего глаза, кажется совершенно искаженным, а иногда и фантастически нереальным.
Оконное стекло - это линза, которая не должна изменять видимую величину предмета. Высококачественное стекло, которое вставляют в окна автомобилей, почти не дает искажений. Имеющиеся на обычном оконном стекле значительные неровности в общем не влияют на его основную функцию - пропускать в комнату достаточное количество света. Но если мы пожелаем тщательно изучить мир сквозь обычное оконное стекло, то он предстанет перед нами в слегка искаженном виде. Эти искажения вызываются пузырями в самом стекле и царапинами на его поверхности.
Когда вы видите телеграфный столб, изуродованный и изогнутый оконным стеклом, вас не беспокоит мысль, что столб сейчас рухнет. Легкое движение головы - и место излома ползет вверх или вниз по столбу, однако и теперь вы не боитесь, что столб обрушится на вас. Потом вы просите кого-нибудь взглянуть на это явление, однако ваш приятель вряд ли увидит излом, если не будет смотреть почти точно из той же точки, откуда смотрели вы сами.
Таким образом, если мир за окном вдруг покажется вам искривленным и искаженным, это вас нисколько не испугает. И если из-за какого-нибудь дефекта на стекле по полу вдруг запрыгает солнечный зайчик, мы не закричим "летающая тарелка!" и не станем утверждать, что это прожектор неведомого космического корабля, ибо нам известно, что, будь у нас хорошее оконное стекло, этого зайчика не получилось бы. Мы знаем, что это искажения, и совершенно уверены в том, что, когда выйдем на улицу и посмотрим на мир, не изуродованный стеклом, он будет таким же, как всегда, вполне реальным и не искаженным.
Но так ли мы уверены в том, что наблюдаемый нами мир никогда не бывает искаженным? Правда, на соседних деревьях и домах больше нет тех изъянов, которые мы видели сквозь оконные стекла. Но если день выдался особенно жаркий, то нам покажется, что удаленные предметы дрожат и корчатся, как живые. Посмотрите на них в полевой или обыкновенный бинокль, и вы снова увидите искажения, даже в несколько раз большие, чем вы наблюдали сквозь оконное стекло.
А ночью удаленные предметы изменяют свой вид, пожалуй, еще сильнее, чем днем. Далекие огни как бы мерцают, изменяя окраску и яркость, перепрыгивают с места на место или меняют свою величину и форму. Иногда мы забываем, что в некоторых отношениях воздух подобен стеклу. При небольшой плотности он обычно прозрачен, однако с увеличением плотности и при наличии каких-то отклонений от нормы он может давать значительные искажения. Несколько миль воздуха могут исказить облик предмета так же или даже сильнее, чем несколько дюймов неровного стекла. В этом случае воздух как бы превращается в линзу, обычно в плохую линзу, но иногда очень сильную.
Мы уже говорили о том, что световой луч, попадая на стеклянную поверхность, разделяется на две части. Одна часть отражается так же, как от поверхности зеркала; другая проникает внутрь, но в точке проникновения преломляется. Отклонение света, которое происходит, когда он входит в более плотную или менее плотную среду или выходит из нее, физики называют "преломлением". Призма, или треугольной формы стекло, направляет световые лучи по пути, указанному на фиг. 42. Выпуклая стеклянная линза собирает лучи в фокусе (фиг. 43).
Немалое значение имеет и тот факт, что световые лучи разных цветов преломляются под разными углами. Мы уже кратко упоминали об этом в главе 14, так как этим определяется разноцветная окраска радуги. Поскольку при разделении луча по разным направлениям происходит разложение света на цвета, которые вместе составляют белый световой пучок, явление это называется разложением, или дисперсией света.
Земная атмосфера плотнее всего у поверхности, а с увеличением высоты ее плотность и давление падают. В результате уменьшения плотности воздуха световой луч, идущий сквозь атмосферу, по мере приближения к земной поверхности преломляется все сильнее, как показано на фиг. 44. Свет от Солнца или звезды, попадая в земную атмосферу, изгибается в направлении изгиба поверхности Земли, хотя его нормальная кривизна несколько меньше.
Вследствие одновременного воздействия преломления и дисперсии на свет в земной атмосфере наблюдаются два явления: во-первых, звезда видна несколько выше того места, где она находится в действительности, и, во-вторых, синий световой пучок поднят выше, чем красный, так что фактически каждая звезда становится маленькой радугой. Дисперсия света почти незаметна, когда звезда находится в зените, но когда она опускается низко над горизонтом, игра цветов сразу же бросается в глаза. Так, я видел однажды планету Венеру, которая снизу отливала интенсивно-красным блеском, а сверху - ярко-голубым. Эти световые эффекты видны особенно ясно, когда вы смотрите на планету в телескоп. И тот, кто не знает истинной причины, обусловившей эту своеобразную окраску, мог бы легко сделать вывод, что Венера - это летающая тарелка, и приписать красноватый блеск у ее нижнего края выхлопам пламени из реактивного двигателя.
Земная атмосфера обладает еще одним свойством. Хотя в небольших количествах воздух абсолютно прозрачен, с увеличением объема он приобретает явно голубой оттенок. Поэтому небо кажется нам голубым. Воздух пропускает красные лучи и рассеивает голубые. Интенсивность красок особенно усиливается во время восхода и захода Солнца. Мы знаем, что, когда Солнце находится низко над горизонтом, оно кажется красным. Голубые и зеленые лучи в основном поглощаются при долгом прохождении через земную атмосферу. И все-таки остается достаточно синих и зеленых лучей, чтобы окрасить хотя бы верхний край Солнца, так что в момент заката, когда светило исчезает за горизонтом, мы видим вспышку зеленого или, реже, голубого цвета.
Это явление, которое называется "зеленый луч", лучше всего наблюдать с вершины высокой горы или на берегу океана, откуда беспрепятственно виден очень широкий горизонт. Я неоднократно наблюдал зеленый луч с вершины Маунт-Гамильтон в Калифорнии, где расположена Ликская обсерватория. Однако эти цветовые эффекты нельзя наблюдать в любое время. Зеленый луч лучше всего виден вечером, когда заходящее солнце еще круглое или чуть-чуть овальное и имеет минимум искажений. Иногда заходящее Солнце подвергается очень сильным искажениям, принимая форму китайской пагоды, горы с множеством крутых склонов или стручкового перца. Некоторые из этих удивительных форм, сфотографированных Дж. Чэппеллом, сотрудником Ликской обсерватории, приведены на фиг. 5 (стр. 43).
Когда Солнце находится над самым горизонтом, преломление поднимает его примерно на полградуса. Поскольку диаметр Солнца тоже составляет полградуса, то, когда нам кажется, что его нижний край касается горизонта, на самом деле верхний, а не нижний край находится на горизонте. Воздух приподнял изображение, причем нижнюю его часть выше, чем верхнюю, и, таким образом, солнечный диск представляется нам не круглым, а немного сплюснутым снизу.
Когда диск восходящего или заходящего Солнца оказывается искаженным, как это видно по фотографиям Чэппелла, мы заключаем, что земная атмосфера не абсолютно однородна. Как и в куске оконного стекла, в лей есть слои, которые искажают изображение, когда Солнце находится низко над горизонтом.
Как мы указывали в предыдущей главе, обычно воздух теплее всего у поверхности Земли, и температура его падает через каждую тысячу футов примерно на 5,5 град. по Фаренгейту. Нормальное или стандартное преломление света в земной атмосфере вычисляется исходя из того, что температура воздуха уменьшается в соответствии с этим простым законом. Однако бывают и весьма значительные отклонения от этого среднего распределения температуры по слоям.
В очень знойный день, особенно в пустыне, слой воздуха, расположенный у самой поверхности, так нагревается, что расширяется или становится менее плотным. В такой атмосфере световые лучи будут изгибаться слабее, чем обычно; в отдельных случаях они даже образуют вогнутую кривую и идут не по обычному своему пути А, а уходят вверх по линии В (фиг. 45). Бывает и наоборот: на поверхности очень холодно, а расположенный выше слой воздуха несколько теплее, так что с высотой температура не падает, а увеличивается. В этом случае изгиб световых лучей будет сильнее нормального, и они окажутся изогнутыми даже больше, чем земная поверхность (см. С на фиг. 45).
Если в один из таких жарких дней мы попадем в пустыню, то можем стать очевидцами любопытного явления. Световой пучок от очень удаленного горизонта так и не достигнет глаза наблюдателя. Другими словами, горизонт покажется нам удивительно близким. В исключительных случаях он даже может оказаться в нескольких сотнях футов от нас. Мир превращается в песчаный остров с поперечником в несколько сот футов. И со всех сторон на вас набегают пенистые волны серебристо-голубого океана. "Береговая" линия нечеткая и быстро меняется. Голубая "вода", переливающаяся на солнце, то появляется, то исчезает. Здесь все зависит от того, с какого места вы смотрите вдаль; стоит вам немного передвинуться или хотя бы просто наклонить голову, как "океан" вдруг высыхает или снова наполняется водой.
