Файл: Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика.pdf

Не менее часто встречается в природе поляризация све­ та, отраженного от водных поверхностей. Неполярпзозапнып луч, отражаясь от поверхности воды, приобретает частичную линейную (а при падении под углом Брюстера и полную линейную) поляризацию. Преимущественная компонента («гладящая») при этом горизонтальна. С по­ мощью поляроида, ориентировав вертикально его ось про­ пускания, легко погасить этп отраженные блики. Этим часто пользуются на практике, так как бликп мешают видеть расположенные под водой предметы. Очень поле­ зен поляризационный фильтр при работе с навигацион­ ным прибором секстантом. С его помощью достигается го­ раздо лучшая впдпмость горизонта на море. Вообще-то в секстанте полезно иметь пару поляроидов, поскольку, на­ пример, прп наводке на Солнце, частично скрещивая пх, можно ослабить яркость до желательной.

Очень эффектно наблюдение поверхности моря с по­ мощью поляроида в ветреную погоду. Если его ось вер­ тикальна, то море кажется гораздо более бурпым, чем

а пена гораздо эффектнее (ее свет почти не поляризован). При отражении света может возникать некоторая раз­ ность фаз между компонентой, поляризованной в плоско­ сти падеппя, и перпендикулярной компонентой. Величина этой разности фаз зависит от угла падения и коэффициен­ тов преломления сред, а также от состояния поверхности раздела (иалпчия пленок па поверхности жидкостей и пр.). В результате отраженный свет может быть частично эллип­ тически поляризован, если падающий свет поляризован час­ тично лпиейпо. Иногда это происходит, когда рассеянный свет ясного неба отражается от больших водных поверх­ ностей (например, от поверхности моря). Тончайшие, по обширные жировые пленки растительного, животного или технического происхождения па поверхности моря — обычное явление. Таким образом, в естественных услови­ ях в природе может возникнуть эллиптически-поляризо- ванпый (и, в частности, циркулярпо-поляризовапный) свет. Представим себе два таких отраженных частпчио эллпптпческн-полярпзоваппых луча, симметрпчпых отно­ сительно плоскости наблюдатель — зенит — Солпце. Лучп также полностью симметричны п в отношении эллиптичпости, если пе учитывать влияпия магнитного поля Зем­

114

ли. Учет магнитного поля приводит к тому, что вследствие поворота плоскости поляризации падающих, рассеянных небом лучей в магнитном поле Земли (в одну и ту же сто­ рону) нарушается симметрия относительно указанной вы­ ше плоскости и в данном месте земного шара возникает преобладание одной из циркулярных (или эллиптических) форм поляризации. Более подробный анализ показывает, что это правая форма. Преобладание оказывается устой­ чивым, меняясь только при пзмепеишт магнитного поля Земли (в течение интервалов времепп, соизмеримых с гео­ логическими эпохами). Возможпо, это п было причиной преимущественного образования асимметричных форм оп­ тически активных веществ, играющих столь важную роль в живой природе.

Следует упомянуть еще об одном интересном природ­ ном поляризационном явлении — о поляризации света радуги. Радуга обязана своим происхождением преломле­ нию и отражению света в дождевых каплях. Как мы знаем, тот и другой процессы связаны с поляризацией света. Поэ­ тому свет радуги довольно сильно поляризован. Преиму­ щественное направление световых колебании параллельно кольцу радуги. Расчет поляризационного отношения па­ раллельной и перпендикулярной компонент для радуг раз­ ных порядков дает различные значения. Для первой оно составляет 21 (поляризация очень высока), для второй — 8, для последующих еще меньше. Экспериментальные дан­ ные полностью подтвердили эти расчеты.

Аналогично радуге образуется другое распространенное световое небесное явление — солнечное гало. Это световые кольца вокруг Солнца, возникающие вследствие преломле­ ния света в мелких кристалликах льда. Свет гало тоже поляризован. В отличие от радуги световые колебания здесь сильнее в направлении, перпендикулярном кольцу. Дело в том, что главный физический процесс в радуге — отражение, а в гало — преломление света. Степень поляри­ зации у гало значительно меньше, чем у радуги.

Поляризация света обнаружена и в одном из грандиоз­ нейших її красивейших оптических явлений природы — в северных сияниях, а также в свеченип ночного неба.

Поляризацию в северных сияниях можно ожидать по­ тому, что, во-первых, первичные возбуждающие частицы (электроны) имеют преимущественное выделенное на­ правление и, во-вторых, спектральные линии испытывают

115

расщепление па поляризованные компоненты в магнитном поле Земли (эффект Зеемана). Поэтому наблюдаемая по­ ляризация должна зависеть от взаимной ориентации на­ правления наблюдения, направления движения возбуждаю­ щих электронов н направления земного магнитного ноля. Подробно теория явления еще не разработана, но полага­ ют, что среди важнейших спектральных линий северных сияний зеленая линия атомарного кислорода (Â = 5577 А) не должна быть поляризована, красная же линия (Â = = 6300 Â) может обладать некоторой степенью поляриза­ ции. Экспериментально удалось обнаружить довольно высо­ кую степень поляризации (30%) иизкоширотного красного сияипя. Поляризация в коротковолновой области спектра, несмотря на специальные поиски, не была обнаружена. Экспериментальных данных по этому вопросу пока мало, но надо падеяться, что поляризация поможет разобраться в сложном механизме полярных сияний.

Наблюдения поляризации свечения ночного неба не­ многочисленны (и к тому же противоречивы), а от них можно было бы ожидать помощи в решепип ряда вопро­ сов — разделения в этом свечении атмосферной и внеат­ мосферной компонент и др. Пока можно считать установ­ ленным, что это свечение частично поляризовано, причем преимущественное направление поляризации в течение ночи следует за движением Солнца под горизонтом, оста­ ваясь примерно перпендикулярным плоскости Солнце — полюс мира — наблюдатель.

Анизотропия органов зрения

Глаз — очень чувствительный оптический инструмент. Он способен воспринимать и различать интенсивность света, изменяющуюся в чрезвычайно широких пределах (пример­ но в миллиард раз, вплоть до потоков всего в несколько де­ сятков квантов), различать сотни разных оттенков цвета. С помощью глаза мы получаем информацию о форме и про­ странственном, трехмерном расположении объектов.

Оказывается, невооруженный глаз человека способен реагировать и на поляризацию света. К сожалению, поля­ ризационная чувствительность глаза не идет ни в какое сравнение с его спектральной или яркостной чувствитель­ ностью. Глаз человека реагирует на поляризацию, прямо скажем, плохо, однако все же реагирует, и об этом стоит

116

рассказать. Кроме того, следует сказать, что этим свойст­ вом обладают глаза ие всех людей. Сколь часто оно встре­ чается, до сих пор неизвестно, и мнения по этому позоду различны.

Впервые возможность обнаружения поляризации све­ та невооруженным глазом открыл Хайдингер в 1844 г. Наблюдатель, одаренный этим свойством, глядя на однород­ ное поле, освещенное линейно-поляризованным белым светом, в течение нескольких секунд видит своеобразную слабо выраженную бледно-желтую фигуру на голубоватом

, Направление поляризации

гол yóoù

U----------------- г Охало 3°-------------------- М

Рис. 53. Фигура Хайдннгсра

фоне. По своим очертаниям фигура напоминает сноп с рас­ ширяющимися концами. Ее принято называть фигурой Хайдингера (рис. 53). Ось фигуры перпендикулярна на­ правлению поляризации. Если изменить направление электрического вектора иа 90°, наблюдатель вновь увидит фигуру, но ее положение окажется повернутым иа тот же угол. Если поле освещено синим светом, контрастность фи­ гуры увеличивается.

Фигура бывает видна даже в частично поляризованном свете, например на фоне голубого неба.

Аналогичное по своей природе явление открыл в 1940 г. Нейбергер, наблюдавший через поляризатор и пластинку Савара1 (без анализатора!) слабую систему интерферен-

1 О пластинке Савара см. стр. 146.

117

циониых полос. При этом осп симметрии интерференцион­ ной картины совпадают с осями фигуры Хайдиигера, а контуры фигуры соответствуют местам перехода одной си­ стемы полос в другую, дополнительную.

Это говорит о том, что оба явления имеют общую при­ чину, и причина эта — некий анализатор, расположенный в самом глазу. Еще Гельмгольц высказал предположение, что этот анализатор связан с дихроизмом радиальных воло­ кон (так называемых мюллеровых нитей), покрывающих сетчатку глаза вблизи желтого пятна. Дихроизм, по-ви­ димому, объясняется упорядоченным, а не хаотическим расположением анизотропных молекул желтого пигмента на радиальных волокнах. Анализ фигуры Хайдиигера по­ казывает, что молекулярные осцилляторы поглощения пигмента должны быть направлены перпендикулярно ра­ диальным волокнам. Таким образом, желтое пятно пред­ ставляет собой своеобразный «радиальный поляроид», схе­ ма которого изображена на рис. 54.

Такой анализатор ослабляет разные участки лпиейиополяризованиого (пли частично линейно-поляризованно­ го) поля в различной степени. Это различие имеет свои пространственные закономерности, которые и определяют форму фигуры Хайдиигера.

Нетрудно изготовить модель радиального поляроида (рис. 55). Для этого полоску поляроида с направлением пропускаемых колебаний вдоль длинной стороны надо раз­ резать на секторы — равнобедренные треугольники. Сло­ жив их затем как секторы многоугольника, получим по­ добие радиального поляроида. Для вполне хорошего вос­ произведения его свойств достаточно 12 секторов. Можно стереть резкие границы между секторами, если быстро вращать многоугольпик вокруг оси, проходящей через его центр. С помощью этого устройства можно объективно воспроизвести и продемонстрировать поляризационные яв­ ления в сетчатке. Если поместить радиальный поляроид между проектором и экраном, а перед проектором устано­ вить линейный поляризатор, то на экране возникнет фигу­ ра Хайдиигера. Если дополнительно после линейного по­ ляризатора поместить пластинку Савара, на экране будут видны интерференционные фигуры Нейбергера. И та и другая картины в общих чертах воспроизводят соответст­ вующие субъективные ощущения в сетчатке.

Желтую окраску фигуры Хайдиигера связывают со

118

спектром поглощения желтого пигмента. Именно поэтому поляризационные энтоптические1 явления проявляются только в синей области спектра. Экспериментально опре­ деленные спектральные границы видимости фигуры Хайдингера составляют интервал 400—510 нм, наиболее отчетливое видение около 490 нм. Происхождение голубо­ го фона, на котором виден сноп, объясняют цветовым

контрастом.

Впрочем, в ряде новых работ содержатся веские воз­ ражения против гипотезы Гельмгольца, связанной с мюллеровыми нитями и желтым пигментом. В них говорится,

Рис. 5ó. Схема радиального поляроида Рис. 55. Изготовление модели радиального поляроида

что желтый пигмент не обладает дихроизмом, что он не связан с мюллеровымн нитями, что голубая окраска фона значительно превосходит ожидаемую по явлению контра­ ста и т. д. Предлагается новая анатомическая гипотеза о

непосредственно внутри ее среди палочек и колбочек, а может быть, и связана с ними. Кроме того, все свойства (форма, окраска и пр.) фигуры Хайдингера удается объя­

зу, связанные со свойствами глазных систем п структур.

119

точнее и детальнее, если предположить, что анализатор глаза, кроме радиального поляроида, содержит еще и ради­ альную фазовую пластинку. Гипотетически эту пластинку связывают с так называемыми волокнами Хейле, которые обладают двойным преломлением, ио не обладают ди­ хроизмом.

Очевидно, что оптическая сущность гипотезы Гельм­ гольца о радиальном анализаторе глаза сохраняет свою силу и, несомненно, соответствует действительности. По­ нимание же анатомического строения анализатора, по-ви­ димому, пока еще несовершенно и неоднозначно.

Фигура Хайдингера наблюдается и в том случае, когда поле освещено цнркулярпо-полярпзованиым светом. Уди­ вительно, что это было открыто сравнительно недавно, лет через сто после открытия Хайдингера, хотя сЬигура прояв­ ляется одинаково отчетливо и в циркулярно- и в линейиополяризованиом свете.

Если, например, смотреть через правоциркулярный по­ ляроид на ясное или облачное небо, видно типичную фигу­ ру Хайдингера, ориентированную справа сверху — налево вниз. Вращение поляризатора в его собственной плоскости не меняет ориентации фигуры. Левоциркулярпый поляро­ ид дает фигуру Хайдингера иной ориентации: слева свер­ ху — вниз направо.

Таким образом, наблюдатель может невооруженным глазом отличить левую циркулярную поляризацию от правой.

Появление фигуры Хайдингера в свете с круговой поляризацией детально еще не изучено и не объяснено. Смысл явления сводится, по-видимому, к следующему. Некоторые среды глаза обладают двойным преломлением. Они превращают циркулярный свет в эллиптически-поля- ризоваииый. Далее радиальный анализатор реагирует на такой свет, как и на частично линейно-поляризованный.

Явление Хайдингера находит применение в офтальмоло­ гии. С его помощью можно дифференцировать пораже­ ние, заболевание сетчатки п глазных сред. Если, напри­ мер, при общем ослаблении зрения сохраняется способ­ ность видеть фигуру Хайдингера, то, по-видимому, при­ чина болезни пе в сетчатке, а в изменении глазных сред.

Поляризационная чувствительность глаза человека существует в каком-то зачаточном состоянии. Почему же в процессе эволюции глазу не понадобилось выработать

120

настоящую, «серьезную» поляризационную чувствитель­ ность? Казалось бы, опа могла очень пригодиться для ориентации в пространстве в земных условиях, где свет от разных участков неба поляризован различно.

Быть может, этот способ Оказался неэффективным изза недостаточной стабильности поляризации овета в условиях непостоянства земной атмосферы. Гораздо более надежными и помехоустойчивыми оказались другие мето­ ды, например бипокулярность зрения.

Можно с большой долей уверенности предположить, что если бы на острове, встреченном Одиссеем в странстви­ ях, действительно жили одноглазые великаны — циклопы, такие, как Полифем, то они обладали бы поляризационной чувствительностью.

Впрочем, и на самом деле есть существа, обладающие такой чувствительностью. Это насекомые, и прежде всего пчелы.

О зрительных впечатлениях насекомых можно судить либо по их поведению (например, по анизотропии их движения), либо по электроретинограммам (ЭРГ). Второй способ основан на том, что на изменение освещения светочувствительный орган (сетчатка) реагирует измене­ нием электрического потенциала. Если один электрод, соединенный с усилителем постоянного тока и осцилло­ графом, ввести внутрь глаза, а второй электрод фиксиро­ вать на какой-нибудь другой части тела, то изменения потенциала могут быть зарегистрированы на экране осцил­ лографа в виде так называемой электроретипограммы. Метод ЭРГ широко используется при исследовании зре­ ния человека и различных животных. Но большая часть сведений о поляризационной чувствительности насекомых получена путем наблюдений за их поведением.

Давно известно явление, называемое танцем пчел. С помощью танца пчела-разведчица оповещает остальных пчел об обнаруженном ею месте взятка. Танец состоит в том, что пчела, принесшая корм, пробегает по прямой несколько ячеек сот, затем возвращается по дуге и повто­ ряет это несколько раз. Если танец происходит на горизон­ тальной поверхности, то направлеппе прямого пробега по­ казывает направление полета за кормом. Если же танец исполняется на вертикальных сотах, то пчела производит своеобразное преобразование системы координат: угол пробега по отношению к направлению па Солнце преобра­

121