"Отпечатки пальцев" в небе нашли свое объяснение
Группа физиков во главе с профессором Майклом Берри (Sir Michael Berry) и доктором Марком Деннисом (Mark Dennis) из Бристольского университета (Bristol University) опубликовала в New Journal of Physics статью, где дается объяснение известного с позапрошлого века феномена, который в буквальном смысле слова находится перед нашими глазами, но до сих пор не поддавался удовлетворительному объяснению. Речь идет о поляризации света в дневном небе и о тех фигурах, что можно наблюдать в поляризационных очках.
Ученым удалось успешно предсказать рисунок поляризации голубых небес (первая попытка описания которого была предпринята еще лордом Рэлеем в 1871 году), используя эллиптические интегралы - то есть тот тип математики, что не только содержит в себе геометрическую основу, но и часто описывается как нечто очень изящное и совершенное.
Поляризация света - это ориентированность (поперечная анизотропия) колебаний световых волн в пространстве. Колебания световых волн (относящихся, как известно, к разряду волн электромагнитных) носят поперечный характер - они всегда направлены перпендикулярно к движению луча. Пучок света состоит из множества квантов. Если ориентация их колебаний носит случайный характер и взаимно уравновешивается, то такой свет не поляризован, а если все кванты имеют абсолютно одинаковую ориентацию, свет считается полностью поляризованным. Степень поляризации может быть различной в зависимости от того, какая доля квантов в нем имеет одну и ту же ориентацию колебаний. Невооруженный человеческий глаз практически не способен замечать поляризованность световых лучей (мы, в отличие от многих насекомых - тех же пчел и муравьев, - страдаем "поляризационной слепотой"), однако поляризационные очки или поляризационный светофильтр от фотоаппарата позволяют нам (при вращении стекол) наблюдать изменение интенсивности освещенности дневного неба (оно при этом становится то темнее, то ярче). Виновником такой поляризации является рассеяние солнечного света на атмосферных молекулах и содержащихся в воздухе аэрозолях.
Наряду с непрерывным изменением линейной в основном поляризации рассеянного солнечного света на небосводе наблюдаются и некоторые характерные точки и полосы ("отпечатки пальцев" по выражению британских исследователей), получившие названия по именам открывших их ученых. Так, если через поляризационный светофильтр смотреть на чистое голубое небо в направлении 90 градусов от Солнца и при этом фильтр поворачивать, то можно заметить странную темную полосу. Эту полосу некоторые люди могут заметить простым глазом (по данным академика Сергея Вавилова, этой способностью обладают 25-30% людей) как желтоватую полоску с закругленными концами (одним из таких счастливцев был граф Лев Толстой, описавший это явление в повести "Юность"). Еще слабее заметны голубоватые пятнышки по краям от ее центра. Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера, она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 году. Некоторые птицы, летающие насекомые и даже древние викинги (с помощью кристаллов исландского шпата в "нелетную" погоду) использовали и используют эти полосы в качестве вспомогательного средства навигации.
Интересно, что в качестве довода в пользу своей новой теории исследователи указывают прежде всего на ее красоту. "Все это - красивая математика в небесах. Используя эллиптические интегралы, мы способны заменить многие страницы формул одним очень простым решением, которое чрезвычайно хорошо предсказывает реальное распределение", - заявил Майкл Берри. Многие ученые и математики полагают, что простые и краткие объяснения естественных явлений лучше и точнее описывают реальность, чем более громоздкие. Так, профессор Маркус дю Сотуа (Marcus du Sautoy) из Математического института при Оксфордском университете говорит: "Умение видеть красоту и понимать эстетику - важная часть профессии ученого. Природа, кажется, является истым сторонником бритвы Оккама: при выборе между неряшливым и красивым решением она неизменно следует путем красоты".
Источники:
Fingerprints in the sky explained by "beautiful mathematics" - New Journal of Physics - Press release
Polarization singularities in the clear sky - New Journal of Physics - Full text
'Beautiful' Mathematics Explains Light Behaviour - Scotsman.com
Ссылки:
Поляризованный свет в природе - "Наука и жизнь"
Яркость и поляризация дневного неба - "Атмосферный аэрозоль"
На верхней иллюстрации:
Контурные графики интенсивности поляризации, соответствующей определенным реальным картинам состояния небес (их получил третий соавтор, Раймонд Ли (Raymond Lee) из Военно-морской академии США (штат Мэриленд) с помощью специальным образом переоборудованной (снабженной "рыбьим глазом") камеры Nikon). Для каждого из двух случаев левая картинка соответствует наблюдательным данным, а правая - это результат вычислений в соответствии с новой теорией. Изображение с сайта www.iop.org
Обсудить
Справка
Эллиптический интеграл
- интеграл от алгебраической функции I рода, то есть интеграл от рациональной функции R(z,w) от переменных z и w, связанных алгебраическим уравнением
w2 = f(z) = a0z4+a1z3+ a2z2+ a3z+ a4,
в котором f(z) - многочлен (полином) третьей или четвертой степени без кратных корней.
Название "эллиптические интегралы" связано с тем, что впервые они появились при спрямлении дуги эллипса и других кривых второго порядка в работах конца XVII - начала XVIII вв.
Я.Бернулли, И.Бернулли, Дж.К.Фаньяно деи Тоски, Л.Эйлер заложили основы теории эллиптических интегралов и эллиптических функций, возникающих при обращении эллиптических интегралов.
"Математическая энциклопедия" под редакцией И.М.Виноградова. М., 1985
Статьи по теме
"Отпечатки пальцев" в небе нашли свое объяснение
Группа физиков опубликовала статью, где дается объяснение известного с позапрошлого века феномена, который в буквальном смысле слова находится перед нашими глазами, но до сих пор не поддавался удовлетворительному объяснению. Речь идет о поляризации света в дневном небе и о тех фигурах, что можно наблюдать в поляризационных очках.
Математики научились создавать отпечатки пальцев
Отпечатки пальцев криминалисты уже давно привыкли использовать в интересах следствия, однако, как ни странно, ученым до сих пор был непонятен конкретный механизм формирования прихотливых папиллярных линий. Теперь американские математики смогли воспроизвести эти структуры с помощью компьютерных симуляций.
В растерзанной мумии признали известный символ женской красоты
Британские археологи считают, что им удалось идентифицировать останки едва ли не самой легендарной красавицы древнего мира. Некая плохо сохранившаяся мумия, найденная в Долине Царей еще в 1898 году, вероятно, принадлежит царице Нефертити, мачехе мальчика-фараона Тутанхамона и одной из самых могущественных женщин в Древнем Египте. Раны, причиненные мумии, показывают, что разрушители намеренно старались лишить Нефертити права вступить в загробную жизнь.
Найдена связь между умением рассказывать истории и математическими способностями
Строгое математическое мышление и завиральное сочинительство обычно воспринимаются нами как совершенно различные таланты, редко сочетающиеся в одном и том же человеке, присущие, скорее, каким-то личностям-антиподам. Однако новое исследование из области психологии дошкольников свидетельствует о том, что таланты хорошего рассказчика, проявившиеся в раннем детском возрасте, позволяют спрогнозировать появление у ребенка через пару лет и ярких математических способностей.
Впервые получены триплеты и квартеты спутанных световых квантов
Независимо друг от друга физики из Канады и Австрии впервые получили системы "спутанных" световых квантов, в которые объединено более двух частиц. Исследователи из Университета Торонто изготовили тройку "спутанных" фотонов, а их коллеги из Венского университета - четверку.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Лазеры преодолевают силу Лоренца
Канадские физики предложили новый способ применения лазеров для изучения ультрабыстрых процессов в ядрах. Становится возможным проведение исследований ядерных процессов в аттосекундной шкале времени.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Новая теория шаровых молний
Джон Джилман из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно предположил, что по крайней мере одно из свойств шаровой молнии - когезию (cohesion), способность удерживать частицы, составляющие оболочку светящегося шара, вместе на протяжении десятков секунд или даже минут - можно объяснить в терминах атомов Ридберга. Однако другие исследователи, занимающиеся изучением этого феномена, отнеслись к такому выводу скептически.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию
Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.
Большой взрыв руками физиков-ядерщиков: подтверждено получение кварк-глюонной плазмы
Недавние контрольные эксперименты добавили уверенности "творцам Большого взрыва" из Брукхэвена: похоже, им действительно удалось получить кварк-глюонную плазму - то есть материю, находящуюся в принципиально новом состоянии. Согласно современным теориям, кварк-глюонная плазма существовала только в первые 10-5 с после Большого взрыва. Когда-то предрекали, что подобные эксперименты могут привести чуть ли не к концу всей нашей Вселенной или, по меньшей мере, к формированию микроскопической черной дыры, которая затем затянет внутрь себя все, до чего сможет дотянуться.
Ученые Тайваня открыли новое природное явление
Ученые обнаружили новый тип молний - "гигантские струи" - которые "связывают" вершины облаков с ионизированным слоем атмосферы, называемым ионосферой. Изучение высотных вспышек, или так называемых переходных люминесцентных событий, которые теперь включают "гигантские струи", "синие струи", "эльфы" и "спрайты" (другие названия - "феи", "тролли" или даже "домовые"), все еще находится в зачаточном состоянии.
Загадка солнечных нейтрино решена
Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.
Новости по теме
