Защо дъгата има точно седем цвята?

Въпреки че дъгата изглежда като реален обект, който витае някъде в далечината, всички опити да се приближим до нея са обречени на неуспех – тя ще се отдалечава от нас със същата скорост, с която се приближаваме към нея. Да я хванем също няма да се получи – в края на краищата дъгата е оптичен обект, който не съществува в определена точка от пространството. Всъщност дъгата е красива илюзия, а след като разберете същността ѝ, можете да научите много за околния свят и Вселената. Така например древните цивилизации са изпитвали много по-големи трудности да разберат природата на светлината, отколкото на физическите обекти, и дори са я смятали за механизъм на зрението, което е довело до появата на такива странности като дъгата. Древните гърци например са били убедени, че всичко около тях се състои от четири елемента, затова са възприемали седемте цвята на дъгата като проява на божествената воля.

Тайната на светлината

Исак Нютон с право е смятан за един от най-великите учени в историята на човечеството. И това не е само заради теорията за гравитацията, която той разработва през XVII в. и описва движението на обектите в близост до повърхността на Земята, орбитата на Луната около Земята и орбитите на планетите около Слънцето. Именно Нютон открива, че бялата светлина е смес от всички цветове.

Ученият стига до това заключение, като провежда експеримент. Първо затъмнил стаята си, за да не може да проникне никакъв светлинен лъч в нея. След това дръпнал завесите така, че лъч светлина с дебелината на молив да проникне през тях и да премине през призма – триъгълно парче стъкло.

Оказа се, че призмата пречупва тесния сноп бяла светлина по такъв начин, че на изхода от нея тя престава да бъде бяла и става многоцветна, точно като дъгата. Нютон нарекъл своята изкуствена дъга спектър.

Светлинният спектър

Спектърът, за който говори Нютон, е организиран по следния начин – когато светлинен лъч преминава през въздуха и попада върху стъклото, той се пречупва. Обърнете внимание, че пречупването се нарича рефракция, която на свой ред се случва не само в стъклото, но и във водата. Това е особено важно да се запомни, когато говорим за дъгата, защото именно пречупването кара греблото да изглежда извито, когато го потопим в реката.

И така, светлината се пречупва, когато преминава през стъкло или вода, но основното в този процес е ъгълът на пречупване, който пряко зависи от цвета на светлинния лъч. Така например червената светлина се пречупва под по-тъп ъгъл, отколкото синята.

По този начин, като пропуснем бяла светлина през призмата, ще видим, че синята светлина се пречупва повече от червената, така че, излизайки от другата страна на призмата, те ще се разделят и между тях ще има жълт и зелен цвят. Резултатът е Нютоновият спектър: всички цветове на дъгата, подредени в обичайния ред – червено, оранжево, зелено, синьо, синьо, виолетово.

Експериментите на Нютон

Разбира се, Исак Нютон не е първият човек, който създава дъга с помощта на призма – други експериментатори са получили същия резултат, но са смятали, че призмата е тази, която „оцветява“ бялата светлина. Нютон погледнал на дъгата по различен начин и предположил, че призмата просто отделя цветовете един от друг.

По-късно Нютон доказва валидността на предположението си с поредица от експерименти. Той взел призмата, както преди, и насочил многоцветен светлинен поток в малък процеп, така че през него да премине лъч само от един цвят, например червен. След това поставил друга призма на пътя на червения лъч, която пречупила светлината както обикновено, но на изхода лъчът останал червен – не се появили допълнителни цветове.

По този начин видният учен потвърждава теорията си за бялата светлина като смес от всички цветове и… продължава експериментите си. И така, следващия път Нютон решил да бъде по-изобретателен и използвал три призми наведнъж. Всъщност това е бил контролен експеримент, който окончателно разрешава научния спор от онези години.

Защо виждаме дъгата?

И така, с призмите се справихме, но какво ще кажете за истинска дъга? За да разберем как се образува тя, е необходимо да си спомним за пречупването, защото дъгата се появява, когато слънчевата светлина се отразява от дъждовните капки и попада в очите на наблюдателя. Повечето дъждовни капки имат сферична форма, която осигурява необходимите условия за появата на дъга.

За да се види дъга, са необходими и други условия, включително положението на Слънцето и дъждовните капки по отношение на наблюдателя. Това означава, че слънцето трябва да е зад гърба ни, ниско над хоризонта (в идеалния случай под ъгъл от поне 42°). Колкото по-ниско е разположено слънцето в небето, толкова по-голяма дъга ще видим Дъгата изглежда полукръгла върху една равна повърхност само при изгрев или залез слънце, когато слънцето е точно над хоризонта. През по-голямата част от времето се вижда по-малка част от дъгата.

Дъждът, мъглата или някой друг източник на образуване на водни капки също трябва да се намират в нашето зрително поле, но размерът на дъждовните капки не влияе пряко върху геометрията на дъгата, а мъглата или затъмнението обикновено засилват ефекта.

Обърнете внимание, че слънчевата светлина се състои от светлина с много различни дължини на вълните, които се забавят с различна величина, поради което бялата светлина се разделя и разсейва. При този процес по-късите сини и виолетови дължини на вълните леко променят посоката си по отношение на по-дългите дължини на вълните на червената светлина. Тъй като водата е по-плътна от въздуха, светлината, която се движи от въздуха в дъждовната капка под определен ъгъл, се забавя и променя посоката си в процеса, който се нарича пречупване.

По този начин наблюдателят, който се намира на правилното място, ще види разсеяната слънчева светлина, отразена обратно в неговата посока. Светлината, разпръсната от многото капки, когато попадне в очите на наблюдателя, ще изглежда като многоцветна дъга.

Различните цветове се появяват от капките под ъгъл, вариращ с около два градуса, от червено до виолетово. Червената светлина, която вижда наблюдателят, идва от капките, които се намират малко по-високо в атмосферата от тези, които разпръскват виолетовата светлина към наблюдателя.

Човешкото око е способно да различава много нюанси, затова се смята, че дъгата се състои от седем цвята: червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, синьо и виолетово – такива са възможностите на нашите очи.

Да напомним, че само малка част от енергията, която получаваме от Слънцето, се излъчва от самия край на фотосферата; по-голямата част от светлината, която възприемаме, идва от дълбоките слоеве на Слънцето на няколкостотин или дори хиляди километра надолу. Тъй като там е по-топло, светлината на Слънцето се държи не като едно „черно тяло“ с една-единствена температура, а като сума от черни тела в температурния диапазон от ~5700 К до почти 7000 К дълбоко в Слънцето.

От друга страна в нормалното човешко око има три вида колбички и един вид пръчици. Пръчиците възприемат само яркостта (свойство на монохромното зрение) и са най-полезни при слаба осветеност и периферно зрение. Колбичките, от друга страна, са разположени главно в зрителното поле, насочено напред, и работят най-добре при ярка светлина (например дневна); те биват три вида: S, M и L, съответстващи на къси, средни и дълги светлинни вълни. Именно те определят какви цветове можем да виждаме, като в дъгата можем да различим седем цвята.