Почему небо голубое

Стоит ясным днем поднять голову вверх, и нас встречает бескрайний голубой купол. Мы настолько привыкли к этой картине, что почти не задумываемся, откуда взялся этот цвет. Почему в безвоздушном космосе царит вечная чернота, а нашу планету окутывает синева? Ответ на этот вопрос — увлекательное путешествие в историю науки.

Как доказали, что воздух не имеет цвет

Долгое время люди считали цвет неба чем-то само собой разумеющимся. Первым серьезным исследователем, который взялся за эту загадку, стал Исаак Ньютон. Он уже разобрался с природой радуги, доказав, что белый свет распадается на спектр в каплях воды. 

В те времена многие думали, что воздух или один из его газов попросту имеет голубой оттенок. Ньютон усомнился в этом. Он рассудил просто: если бы воздух был цветным, как синее стекло, то все предметы, на которые мы смотрим сквозь него, казались бы голубыми. Солнце, Луна, далекие снежные вершины виделись бы нам не белыми, а синими. Но мы видим их в естественном цвете. Значит, дело не в окраске самого воздуха.

Ньютон оказался на верном пути, но найти правильное объяснение голубизне неба ему не удалось. Эта задача оказалась сложнее, чем кажется.

Почему рассеянный свет приобретает голубой оттенок

В 1869 году английский физик Джон Тиндаль поставил эксперимент. Он создал в лаборатории туман и направил на него луч белого света. Сбоку туман выглядел ярко-голубым. Так Тиндаль понял главное: цвет неба рождается не в самом веществе, а в процессе рассеяния света. По сути, любой из нас мог заметить этот эффект, просто взглянув на голубоватый дымок от костра или сигареты.

Настоящий прорыв совершил британский физик Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) в 1871 году. Он создал математическую теорию, которая объясняла, почему рассеянный свет приобретает именно голубой оттенок. Рэлей выяснил, что все зависит от размера препятствия, с которым сталкивается свет.

Представьте себе морскую волну. Если на ее пути встанет огромная скала, волна просто разобьется о нее, почти не изменившись. Так и с видимым светом: крупные частицы пыли размером с микрометр отражают все цвета одинаково. Свет остается белым. Но если препятствие крошечное, то волны разной длины ведут себя по-разному. Короткие волны (голубые и фиолетовые) начинают «дробиться» и разлетаться в стороны гораздо сильнее, чем длинные красные.

Расчеты Рэлея объяснили, почему небо голубое: мы видим рассеянный коротковолновый свет. Но тут возникла проблема. Теория Рэлея работала для разреженной среды, где частицы далеко друг от друга. А в плотной атмосфере все должно было быть иначе. К тому же, небо остается голубым даже в самых чистых местах, где нет ни пылинки. На чем же тогда рассеивается свет? Рэлей предположил, что на самих молекулах воздуха, но строгого доказательства у него не было.

Как Мандельштам окончательно доказал, что свет рассеивается

В 1907 году российский профессор Леонид Мандельштам, которому было всего 28 лет, указал на математическое несовершенство теории Рэлея. Для плотной земной атмосферы она давала сбой. Казалось, наука снова зашла в тупик.

Но Мандельштам нашел выход: воздух никогда не бывает идеально однородным. Из-за хаотичного теплового движения молекулы постоянно сгущаются в одних местах и разряжаются в других. Возникают микроскопические, случайные сгустки плотности — флуктуации. Именно эти невидимые глазу «комочки» воздуха и становятся теми самыми маленькими препятствиями, на которых рассеивается голубой свет.

Идея Мандельштама была настолько глубока, что потребовала экспериментальной проверки. Вместе с коллегой Григорием Ландсбергом ученый готовил опыт 18 лет! В итоге удалось не только подтвердить теорию, но и открыть совершенно новое явление — комбинационное рассеяние света. Это открытие в будущем помогло создать лазеры.

Откуда берутся оранжевые и красные закаты

Чтобы лучше понять механизм, достаточно посмотреть на небо оттуда, где воздуха нет. Космонавты видят абсолютно черный провал космоса и ослепительно белое Солнце. В вакууме свет путешествует без помех, ничто не заставляет его распадаться на цвета.

На Земле все иначе. Голубые и фиолетовые лучи, самые короткие в видимой части спектра, то и дело натыкаются на неоднородности воздуха и «разбегаются» по всему небосводу. Этот рассеянный свет заполняет каждый уголок неба и попадает в наши глаза.

Красные, желтые и зеленые лучи пролетают мимо препятствий, почти не сворачивая. Поэтому Солнце в зените мы видим желтым — к нам приходят его прямые, почти не тронутые рассеянием лучи. А вот на закате, прежде чем дойти до Земли, белый свет Солнца успевает потерять голубой и фиолетовый. И становится красно-оранжевым.

Как повторить открытие Тиндаля дома

Удивительно, но повторить открытие Тиндаля можно дома без всяких приборов. Возьмите прозрачный стакан с водой и капните в него немного молока, чтобы вода стала слегка мутной. В темной комнате посветите через стакан фонариком. Сбоку вы увидите, как взвесь молочных частиц отливает голубизной (это рассеянный свет). А луч, который выйдет из стакана, потеряет часть синих тонов и станет заметно желтее.

За этим простым опытом стоит физика. И всякий раз, глядя на голубое небо или провожая багровый закат, мы становимся свидетелями оптического явления.