Почему небо голубое?

Почему небо голубое?

Это классический детский вопрос, ответ на который известен точно, но его получение было сложным и заняло много времени. Существовала теория, что цвет неба совпадает с цветом воздуха или какого-либо газа, входящего в его состав. Исаак Ньютон первым понял, что если бы это было так, то белые Солнце, Луна и вершины снежных гор тоже виделись бы голубыми, как сквозь цветное стекло. Он доказал, что воздух не имеет цвета. Открыв разложение белого света на цветные составляющие, он успешно объяснил происхождение радуги разложением света на капельках воды. Его попытка похожим образом объяснить голубой цвет неба оказалась ошибочной.

В 1869 году англичанин Джон Тиндаль провел эксперимент и продемонстрировал, что если искусственно созданный туман осветить лучом белого света, то сбоку он будет смотреться голубым. Так стало ясно, что все дело в рассеянии света. Вообще-то достаточно было посмотреть и на голубой дымок от горящего конца сигары, сигареты или папиросы.

Действительно, с древних времен людям было известно, что луч света распространяется прямолинейно. Однако он всегда виден, если посмотреть на него сбоку. Но обычно луч так и кажется белым. Объяснение было найдено в 1871 году замечательным физиком лордом Рэлеем (Джон Стретт). Он рассчитал, что если свет рассеивается на крупных частицах, например на пылинках, размер которых существенно больше длины волны любой из составляющих белого света, то он так и остается белым. Например, так и будет, если размер пылинки сопоставим с одним микрометром. А вот если размер окажется гораздо меньше, то голубой и фиолетовый начнут рассеиваться гораздо сильнее красного. Значит, рассеянный свет, окрашивающий небо, будет голубым. Теория прекрасно объясняла, почему солнце на восходе и закате красное: все из-за того, что лучу приходится проходить более толстые слои воздуха, синий цвет рассеивается еще сильнее, а красный попадает в глаз напрямую. Вот только смущало, что небо голубое как раз в тех местах, где пыли нет. На чем же тогда рассеивается свет? Рэлей предположил, что на молекулах воздуха. В 1906 году опыты американского астрофизика Чарльза Эббота по рассеянию света позволили оценить концентрацию молекул в воздухе, и она прекрасно совпала с уже известной из совсем других опытов. Однако радость продолжалась недолго. В 1907 году русский профессор физики Леонид Мандельштам, которому было всего 28 лет, обратил внимание, что теория Рэлея работает, если число молекул в единице объема воздуха достаточно мало, а в реальной атмосфере это не так. Голубой цвет неба снова стал необъяснимым, пока Мандельштам не понял: все дело в том, что воздух никогда не бывает однородным. Всегда вследствие случайных тепловых движений молекул в очень малых объемах воздуха образуются случайные изменения плотности. Вот поэтому-то и происходит рассеяние, придающее небу голубой цвет.

Все хорошо, и можно бы успокоиться. Но эти случайные флуктуации по расчету должны приводить к очень малому, трудно измеримому мерцанию неба. Опыт, который позволил бы доказать, что так и должно быть, Мандельштам вместе со своим коллегой Григорием Ландсбергом смог подготовить лишь через 18 лет. Это оказался очень тонкий, добросовестный опыт, в результате которого было открыто совершенно новое явление, получившее название комбинационного рассеяния. Оно на многие годы определило развитие оптики и в конце концов повлияло на открытие лазеров. Но это уже другой разговор. Важно то, что сильный научный результат не только отвечает на поставленные вопросы, но и обязательно рождает новые, еще более трудные и интересные.