Физика
Главный обман природы
– синий цвет
– синий цвет
Синий цвет окружает нас повсюду — небо, море, бабочки и птицы. Однако спешим вас разочаровать, почти всегда синий цвет — оптическая иллюзия. Как природа «обманывает» нас синим цветом, и какие физические процессы скрываются за этим?
Существует три базовых цвета: красный, зелёный и синий. Смешивая их, можно получить все остальные цвета. Всем не составит труда найти зелёный 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. Но это не значит, что само по себе море синее. Так же и небо не является истинно синим. Оно лишь становится синим в результате физических явлений: рассеяния преимущественно голубого света в атмосфере.
А вот зелёный 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. Но это не значит, что само по себе море синее. Так же и небо не является истинно синим. Оно лишь становится синим в результате физических явлений: рассеяния преимущественно голубого света в атмосфере.
А вот зелёный 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. Простыми словами, интерференция — явление сложения/вычитания интенсивности двух световых волн.
Структура крыла бабочки. Изображение из [2].
Интерференция в крыльях бабочки
Начнем с того, что свет — это и частица, и электромагнитная волна одновременно. Важно для понимания интерференции второе определение света, волновое. А именно электрическая часть волны, потому что мы видим именно её.
Накладываемые друг на друга световые волны не всегда «просто складываются». Интенсивность света в определенной точке зависит от фазы волны. Если фаза совпадает, то волны друг друг усиливают. Если не совпадают, то гасят.
Начнем с того, что свет — это и частица, и электромагнитная волна одновременно. Важно для понимания интерференции второе определение света, волновое. А именно электрическая часть волны, потому что мы видим именно её.
Накладываемые друг на друга световые волны не всегда «просто складываются». Интенсивность света в определенной точке зависит от фазы волны. Если фаза совпадает, то волны друг друг усиливают. Если не совпадают, то гасят.
Фаза волны [6]
Интерференцию световой волны можно сравнить с интерференцией водной волны. Здесь на картинке видно, что местами волны друг друга гасят или усиливают
В тонких пленках свет отражается дважды: от верхней поверхности пленки и от нижней. Крылья бабочки Морфо составлены из чешуек такого размера, что именно голубой свет будет лучше всего дважды отражаться. Таким образом, от крыльев в глаза отражаются по сути две волны, дважды отражённые от чешуек.
В тонких пленках свет отражается дважды: от верхней поверхности пленки и от нижней. Крылья бабочки Морфо составлены из чешуек такого размера, что именно голубой свет будет лучше всего дважды отражаться. Таким образом, от крыльев в глаза отражаются по сути две волны, дважды отражённые от чешуек.
Интерференция волн воды
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
- Фаза колебаний. Википедия
Автор: Тобольченко Екатерина, студентка физического факультета МГУ
