В новом выпуске программы StarTalk знаменитый астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его бессменный соведущий Чак Найс разбирают физическую загадку, с которой сталкивался каждый житель мегаполиса: почему лучи мощных прожекторов, устремленные в небо, кажутся обрыкающимися на определенной высоте, а не уходят в бесконечность? В центре обсуждения — законы оптики, атмосферные явления и то, как Голливуд раз за разом ошибается в изображении лазеров в космосе.
🏙️ Исчезающие колонны света: от Голливуда до мемориала 11 сентября 0:00
Нил Деграсс Тайсон начинает беседу с упоминания знаменитых голливудских поисковых прожекторов, которые традиционно ассоциируются с заставкой кинокомпании 20th Century Fox (ныне 20th Century Studios) . Исторически эти мощные лампы использовались в военных целях — для обнаружения вражеских бомбардировщиков в ночном небе . После войны им нашли применение в индустрии развлечений, превратив их в символ грандиозных событий.
Особое внимание участники уделяют мемориалу в Нью-Йорке. Чак Найс, живущий в Нью-Джерси, описывает свои впечатления от инсталляции «Посвящение в свете» (Tribute in Light), которую ежегодно зажигают в память о жертвах терактов 11 сентября .
- Инсталляция расположена в нескольких милях к югу от Хейденского планетария, где находится офис Тайсона .
- Она представляет собой два вертикальных столба света, имитирующих башни-близнецы.
- По наблюдениям Чака, лучи выглядят как четкие колонны, которые внезапно исчезают в пустоте на вершине, создавая иллюзию «потолка» .
По словам Тайсона, этому явлению есть четкое физическое объяснение, связанное с тем, как свет взаимодействует с материей и как его воспринимает человеческий глаз .
🌫️ Почему мы вообще видим луч? 2:49
Первый важный научный факт, который подчеркивает астрофизик: в идеальном вакууме луч прожектора или лазера был бы абсолютно невидим для стороннего наблюдателя . Мы видим «столб света» только потому, что в воздухе есть посторонние частицы:
Эти частицы отражают часть фотонов из основного луча в сторону глаз наблюдателя. Если бы воздух был идеально чистым, поисковые прожекторы стали бы бесполезными, так как луч не оставлял бы видимого следа в пространстве .
Ошибки в кинофантастике
Тайсон часто критикует киноиндустрию за пренебрежение законами физики ради зрелищности. В этом выпуске «под раздачу» попали две культовые франшизы:
- Star Trek (Звездный путь): Тайсон указывает, что выстрелы фазеров «Энтерпрайза» не должны быть видны сбоку в открытом космосе, так как там нет пыли, которая могла бы рассеять свет . Единственный способ увидеть луч — это если кто-то предварительно распылит в космосе «меловую пыль» .
- Star Wars: The Force Awakens (Звездные войны: Пробуждение силы): В фильме показано, как жители разных планет наблюдают за приближением смертоносного луча базы «Старкиллер» . По мнению Тайсона, это невозможно: свет движется со скоростью света, поэтому вы не можете увидеть его приближение со стороны, пока он не достигнет вас. «Нет никакого света впереди самого света, который бы крикнул: "Я иду!"» — иронизирует ученый .
🍞 Эксперимент с «масляным пистолетом» 4:48
Для объяснения того, почему яркость падает, Тайсон использует свою любимую педагогическую аналогию — закон обратных квадратов, представленный через концепцию «масляного пистолета» (Butter Gun) .
Представьте, что вы работаете поваром и используете специальное устройство, которое распыляет расплавленное масло на тосты:
- Расстояние 1 единица: Вы нажимаете на курок, и порция масла идеально покрывает один кусок хлеба .
- Расстояние 2 единицы: Конус распыления расширяется. Теперь то же количество масла распределяется по площади, эквивалентной четырем кускам хлеба. Толщина слоя масла на каждом тосте составляет лишь 1/4 от первоначальной .
- Расстояние 3 единицы: Масло разлетается еще шире, покрывая площадь девяти кусков. Интенсивность (толщина слоя) на каждом отдельном тосте падает до 1/9 .
Этот принцип напрямую применим к свету: если вы находитесь в два раза дальше от источника, он кажется в четыре раза тусклее. В три раза дальше — в девять раз тусклее .
📉 Математика исчезновения: закон четвертой степени 7:11
Главный секрет того, почему лучи прожекторов «обрываются» так резко, кроется в комбинации двух эффектов. Тайсон вводит понятие закона «единицы на расстояние в четвертой степени» ($1/r^4$) .
Процесс потери видимости луча происходит в два этапа:
- Путь вверх: Свет прожектора уходит в небо, и его интенсивность падает согласно закону обратных квадратов ($1/r^2$). На высоте 3 мили свет в 9 раз слабее, чем у земли .
- Путь обратно: Чтобы вы увидели луч, этот ослабевший свет должен отразиться от пылинки и проделать путь обратно к вашим глазам на земле. Это путешествие также подчиняется закону обратных квадратов ($1/r^2$) .
В результате яркость луча, которую воспринимает человек, стоящий рядом с прожектором, падает экспоненциально — как $1/r^4$.
- Если луч поднялся в 3 раза выше, он становится для наблюдателя в 81 раз тусклее ($9 \times 9 = 81$) .
- Если луч поднялся в 10 раз выше, его яркость для глаза падает в 10 000 раз.
Именно из-за этого стремительного падения яркость луча очень быстро опускается ниже порога чувствительности палочек в сетчатке человеческого глаза . Свет продолжает идти выше, но наши глаза больше не способны его зафиксировать. Для наблюдателя, находящегося непосредственно в самом луче на высоте (например, для пилота самолета), он все еще будет виден, так как для него действует лишь закон обратных квадратов, а не четвертой степени .
В завершение Тайсон отмечает, что даже обычные лазерные указки, которые астрономы используют для указания созвездий, кажутся имеющими четкий конец по той же самой причине .
