оптика
Главный обман природы
– синий цвет
– синий цвет
Синий цвет окружает нас повсюду — небо, море, бабочки и птицы. Но задумывались ли вы, почему в природе синий встречается так часто на первый взгляд, но на деле почти всегда оказывается иллюзией? Как и зачем природа «обманывает» нас синим цветом, и какие физические процессы скрываются за этой магией?
Существует три базовых цвета: красный, зеленый и синий. Смешивая их, можно получить все остальные цвета. Всем не составит труда найти зеленый и красный цвет в природе: летние и осенние листья деревьев, зелёная змея, красный жук-пожарник. В качестве синего цвета вы могли бы вспомнить море, небо, синего попугая-ара, синюю сойку, ярких синих бабочек. Но на самом деле, все эти примеры не являются по-настоящему синими.
Истинная природа синего цвета
Море нам кажется синим, потому что единственный свет, который с большой глубиной не поглощается водой — это синий, то есть все остальные цвета просто «заглушаются» морской водой. На языке физики мы бы сказали, что свет рассеивается лучше в диапазоне коротких волн, которые соответствуют синему цвету. Иными словами, свет хуже рассеивается в диапазоне длинных волн — а это красный цвет. Но это не значит, что само по себе море синее. Так же и небо, в котором рассеивается преимущественно голубой цвет, не является истинно синим. Оно лишь становится синим в результате физических явлений.
А вот зеленый или красный лист клёна будет сохранять свой цвет вне зависимости от внешних явлений. Это значит, что лист дерева и другие зелёные/красные предметы отражают только зелёный/красный свет. И их цвет не зависит от того, какой свет падает на них. В то же время небо и море отражают в общем-то все цвета, просто наиболее видимыми из них являются голубой и синий.
Море нам кажется синим, потому что единственный свет, который с большой глубиной не поглощается водой — это синий, то есть все остальные цвета просто «заглушаются» морской водой. На языке физики мы бы сказали, что свет рассеивается лучше в диапазоне коротких волн, которые соответствуют синему цвету. Иными словами, свет хуже рассеивается в диапазоне длинных волн — а это красный цвет. Но это не значит, что само по себе море синее. Так же и небо, в котором рассеивается преимущественно голубой цвет, не является истинно синим. Оно лишь становится синим в результате физических явлений.
А вот зеленый или красный лист клёна будет сохранять свой цвет вне зависимости от внешних явлений. Это значит, что лист дерева и другие зелёные/красные предметы отражают только зелёный/красный свет. И их цвет не зависит от того, какой свет падает на них. В то же время небо и море отражают в общем-то все цвета, просто наиболее видимыми из них являются голубой и синий.
Как быть в случае с ярко синей птицей или бабочкой?
Здесь тоже кроется визуальный “фокус” от природы. Дело в том, что перья птицы или крылья бабочки — хитрый оптический прибор. Рассмотрим на примере этой красивой бабочки морфо.
Здесь тоже кроется визуальный “фокус” от природы. Дело в том, что перья птицы или крылья бабочки — хитрый оптический прибор. Рассмотрим на примере этой красивой бабочки морфо.
Фотография бабочки морфо.
Её крылья имеют яркий металлический сине-фиолетовый отлив. Такой цвет получается в результате преломления от чешуек в основном коротковолнового света - синего, голубого и фиолетового. Яркость бабочке придает интерференция света в тонких пленках, происходящая в чешуйках её крыльев.
Структура крыла бабочки. Изображение из [2].
Интерференция
Интерференционными явлениями в оптике обычно называют круг явлений,
в которых при наложении двух (или более) световых волн в некоторой области
пространства результирующая интенсивность в произвольной точке этой
области оказывается не равной сумме интенсивностей каждой из
накладывающихся волн. Интенсивность в определенной точке можно найти по формуле:
Интерференционными явлениями в оптике обычно называют круг явлений,
в которых при наложении двух (или более) световых волн в некоторой области
пространства результирующая интенсивность в произвольной точке этой
области оказывается не равной сумме интенсивностей каждой из
накладывающихся волн. Интенсивность в определенной точке можно найти по формуле:
$$
I=I_1+I_2+2 \sqrt{I_1 I_2} \cos \phi.
$$
I1, I2 — интенсивности волн, φ — разность фаз между волнами в точке
наблюдения. Вывод выражения можно посмотреть в [3].
наблюдения. Вывод выражения можно посмотреть в [3].
Рассмотрим интерференцию в тонких пленках (чешуйках). Линза 1 формирует плоскую волну, падающую на пленку (плоско параллельную пластинку). После отражения от обеих поверхностей на вторую линзу падают две плоские волны (отраженная и прошедшая), идущие в одном и том же направлении. Они проинтерферируют в точке фокальной плоскости линзы 2.
Изображение из [4].
При интерференции в тонких пленках (чешуйках) интенсивность увеличится при наложении, поэтому мы видим крылья такими яркими.
Точно такой же механизм мы наблюдаем у синих птиц. Их оперение тоже представляет собой тонкие пленки.
Изображение пера под микроскопом из [5].
При этом если мы посмотрим на солнечный свет сквозь перо, то обнаружим, что оно будет коричневым и далеко не синим.
Синий цвет в природе — оптическая иллюзия
Почему именно синий?
Как мы видим, весь синий цвет, который приходит нам на ум — оптическая иллюзия. В связи с чем так выделяется именно синий? Всё дело в питании всех организмов на Земле и их обработке съеденной пищи. Оно просто не позволяет синтезировать в организме именно синий пигмент. Гораздо проще и выгоднее организму воспользоваться оптической иллюзией синего цвета, нежели создать синий пигмент.
Как мы видим, весь синий цвет, который приходит нам на ум — оптическая иллюзия. В связи с чем так выделяется именно синий? Всё дело в питании всех организмов на Земле и их обработке съеденной пищи. Оно просто не позволяет синтезировать в организме именно синий пигмент. Гораздо проще и выгоднее организму воспользоваться оптической иллюзией синего цвета, нежели создать синий пигмент.
Хоть и с трудом, но нашёлся редкий организм, имеющий синий пигмент — это рыбы-мандаринки. Они одни из немногих, кто научился синтезировать синий цвет.
Природа поражает своим разнообразием и возможностями, и синий цвет — еще одно тому подтверждение.
Список литературы:
- Kai Kupferschmidt. Blue: In Search of Nature's Rarest Color, 2021
- LINDEN GLEDHILL PHOTOGRAPHY. Butterfly scales
- В.Ю. Иванов, И.В. Митин И.В., И.Б. Иванова. Изучение основных явлений интерференции света с помощью интерферометра Майкельсона, 2019
- И.В. Митин. Полосы равной толщины и полосы равного наклона
- Официальный сайт Государственного дравидского музея. Пух и перья под микроскопом
Автор: Тобольченко Екатерина, студентка физического факультета МГУ
