Lib.ru/Современная:
[Регистрация]
[Найти]
[Рейтинги]
[Обсуждения]
[Новинки]
[Помощь]
Свет: дорога по кромке
Когда-то -- а именно в 2004 году журнал "Химию и жизнь" в N 6 рассказал об экспериментах Ю.Ю. Стойлова из ФИАНа, который вводил луч лазера в торец пленки из мыльного водного раствора и обнаружил то, что не склонные к подобной лексике физики назвали "чудо". Причем назвали не сами авторы, а редакция серьезного журнала "Квантовая электроника", в котором эти данные публиковались. Кстати, "Химия и жизнь" это слово в публикации употребить постеснялась. Оказались, как гласит народная мудрость, "святее Папы Римского"...
Но это все прошлые дела, а физика -- вот она: при введении сфокусированного луча красного лазера мощностью от 10 мкВт (лазерная указка) до 3 Вт в обычную мыльную пленку толщиной от 10 нм до 10 мкм, висящую в воздухе, сбоку или по касательной, через дефект на поверхности, авторы наблюдали самосжатие, самофокусировку идущего по пленке лазерного излучения. Потом луч сам по себе разветвлялся на субмикронные прожилки, которые они назвали, естественно, усы. Эти субмикронные усы имели длину более десяти сантиметров, и при этом они сами собой хаотично метались по пленке. В тогдашней публикации было рассказано о постановке эксперимента и приведены соответствующие фотографии.
После длительных и трудоемких исследований авторы пришли к выводу: при распространении лазерного луча в среде давление света изгибает поверхность пленки, создавая оптический резонатор, вдоль луча. Этот резонатор концентрирует свет и обеспечивает его распространение с незначительным затуханием. Помните давление света, теоретически вычисленное в 1873 году Джеймсом Максвеллом и экспериментально показанное в 1899 году П.Н. Лебедевым? Так это оно самое. Но если у Лебедева давление света вращало легкое крылышко, подвешенное на тонкой нити в вакууме, то теперь оно изогнуло стенки пленки, создавая себе оптимальные условия для распространения.
Прошло некоторое время, и авторы вернулись к любимому объекту. На сей раз один из авторов занялся не пленкой, а ее краем, точнее -- местом, где сходятся три пленки, треугольным ребром, то есть местом, где встречаются три пузыря, или два пузыря и воздух. В этом случае стенки и ребро живут так: вода мало-помалу поступает из верхних пленок в ребро, а из ребра стекает вниз -- по той стенке, которая и идет вниз. Ничего не попишешь -- гравитация.
Автор работы, Ю.Ю. Стойлов (ФИАН), пропустил по этому ребру лазерный луч (например, из указки), направил его на установленный сзади ребра экран и увидел, что он не просто тихо-мирно распространяется вдоль ребра, а разделяется на яркую центральную область, плотно заполненную быстро мигающими пятнами, и более темный широкий ореол из мелких искрящихся пятнышек, которые при внешне спокойном и неподвижном ребре десятки раз в секунду возникают и исчезают, меняя свою форму, яркость и положение. Центральная область -- это излучение, которое доходит до выхода из ребра, многократно отражаясь от его вогнутых граней. А более темный ореол и пятнышки в нем создают лучи, которые глубоко проникают в вершины и из-за наличия сходящегося угла от них отражаются. Угол вершин постоянно меняется неравномерно поступающим в ребро потоком раствора из пленки. Вот эта неравномерность и является источником странных свойств ребра мыльных пленок.
Вид картинки и характер миганий оказались зависящими от длины волны используемого лазерного излучения, и это естественно -- глубина проникновения и отражения от вершины ребра зависит от длины волны света. С красной лазерной указкой угловой размер ореола был меньше, чем с зеленой, и при этом под микроскопом на выходном торце ребра почти не видно мигающих пятен в углах. Это показывает, что излучение красного лазера из-за большей длины волны не так глубоко проникает в бурлящие от входных потоков углы ребра, как зеленого. Так что с синим лазером все должно быть еще интереснее...
Вода поступает из пленки в ребро не тихо, плавно и ламинарно, а турбулентным течением, и стенки пленки вибрируют. По ширине размазывания ярких точек автору работы удалось оценить скорость потока -- около 1 мм/с при входе в ребро, при том, что в основной части пленки скорость движения меньше. На входе в ребро есть сужение, которое ускоряет поток и делает его турбулентным, удалось даже по рассеиванию света зафиксировать это сужение. Время наблюдения миганий ограничено только временем жизни пленок, которое обычно составляет от нескольких минут до нескольких часов. Иногда мигания удается наблюдать подряд несколько суток, и это время можно увеличить, если восполнять раствор.
Можно обойтись даже без лазера. Ребро так влияет на проходящий через него свет, что если пропустить через него сфокусированный на входной торец солнечный свет, то на установленном сзади пленки экране возникает калейдоскоп из пляшущей мозаики цветных радужных пятен. Это явление могло быть открыто 3000 лет тому назад, когда уже были и мыло, и шаровые сосуды с водой для фокусировки. Трудно переоценить, какую пользу науке принесла бы эта постоянно меняющаяся мозаика из множества разноцветных пятен, демонстрирующих скрытые особенности невидимого мира, будь она открыта 30 веков назад. Насколько она помогла бы Демокриту с его атомами, Аристарху Самосскому с теорией цвета, какой устойчивый фундамент был бы у трудов Евклида по оптике. А сколько тысяч пытливых молодых умов зажглось бы желанием понять, откуда берутся мигающие цветные пятна на экране из спокойного на вид ребра. Удивительно, что в нашем, казалось бы, досконально изученном мире, тысячелетиями могло существовать загадочное явление, для открытия которого не нужны были особые условия или какая-то длинная цепочка специально накопленных знаний.
Во время экспериментов был обнаружен еще один интересный для исследования и физически менее понятный мигающий объект, который по форме напоминает ребро мыльной пленки, но существенно от него отличается. В четырехгранной прозрачной кювете с внутренним сечением 1 на 1 см, стороны которой собраны на оптическом контакте (оптический контакт формирует идеальный прямой угол), мыльный раствор, налитый тонким слоем на дно, капиллярными силами поднимается по углу, как по фитилю, на всю высоту кюветы (2 см) и образует в углу столбик жидкости, похожий на ребро. На этот объект сбоку направляется лазерный луч, и на экране мы видим яркую немигающую полосу, но выше и ниже ее много дней и недель подряд наблюдается пятнистая структура с постоянными, но не такими быстрыми, как с ребром, мерцаниями. Вопрос о механизме такой долгой подпитки этих мерцаний и угловой диаграмме направленности излучения остается открытым и требует дополнительных исследований.
Связаться с программистом сайта.
