Поляризация света: её суть и роль в природе

Многие люди считают световую поляризацию феноменальным явлением, которое имеет широкое распространение и применение в технике и практически никогда не встречается в повседневной жизни. На самом деле такое утверждение является не совсем корректным, что было доказано в статье нидерландского физика Г. Кеннена.

Общее понятие

С научной точки зрения, поляризация света – это ориентированность в пространстве световых колебаний, являющихся перпендикулярными относительно направления движения волны. Световой луч состоит из множества простейших элементов, которые называются квантами. Направление их колебаний может быть самым разнообразным. В том случае, когда кванты отличаются идентичной ориентацией, световой поток называется поляризованным. В зависимости от доли таких частиц в том или ином излучении меняется степень поляризации.

Фильтры

Существует ряд фильтров, которые способны пропускать лишь лучи с определённой ориентацией. Если смотреть через них на поляризованный световой поток и одновременно поворачивать, будет меняться яркость. В том случае, когда поляризация света будет совпадать с направлением пропускания, она станет максимальной, а при полном расхождении – минимальной. Приобрести такие фильтры можно в обычных магазинах, специализирующихся на продаже фототехники. При взгляде через них на чистое небо, при условии что Солнце находится сбоку, в определенный момент во время поворачивания станет видна полоса чёрного цвета. Она является доказательством того, что исходящие от этого участка неба световые волны являются поляризованными.

Фигура Гайдингера

В своё время, известный физик из СССР С. И. Вавилов провёл исследования, по результатам которых выдвинул интересную теорию. Согласно ей, поляризация света видна без каких-либо вспомогательных устройств примерно каждому четвёртому человеку на планете. При этом большинство из этих людей даже не подозревают о наличии такой особенности у собственного зрения. При взгляде на то же голубое небо в центре их поля зрения появляется едва заметная жёлтая полоска со слегка закруглёнными концами. Посередине и на краях также есть бледные пятнышки голубоватого цвета. При поворачивании плоскости поляризации полоса также поворачивается, ведь относительно направления световых колебаний она всегда является перпендикулярной. В науке это явление известно как фигура Гайдингера. Она названа в честь немецкого физика, который открыл ее в 1845 году. Если хоть раз её заметить, способность видеть это пятнышко можно развивать. Следует отметить, что при использовании синего либо зелёного светофильтра фигура Гайдингера видна довольно чётко.

Примеры поляризации света и способ её устранения

Поляризация света, источником которого является чистое небо, – это лишь самый простой и широко использующийся пример этого явления. Другими довольно распространёнными случаями можно назвать блики, что лежат на стеклянных витринах и поверхности воды. При необходимости устранить их можно при помощи специальных поляроидных фильтров, которыми чаще всего пользуются фотографы. Они становятся незаменимыми, если нужно запечатлеть на фото какие-либо защищённые стеклом картины либо музейные экспонаты. Принцип их действия основан на том факте, что любой отражённый свет в зависимости от угла своего падения имеет ту или иную степень поляризации. Таким образом, при взгляде на блик можно без труда подобрать такой угол расположения фильтра, при котором он будет подавлен, вплоть до полного исчезновения. Аналогичного принципа придерживаются производители качественных противосолнечных очков. Благодаря использованию в их стекле поляроидных фильтров можно убрать мешающие блики, исходящие от поверхности мокрого шоссе либо морской поверхности.

Закон Умова

Любой рассеянный свет с неба представляет собой солнечные лучи, которые претерпели многочисленные отражения от молекул воздуха, а также не раз переломились в ледяных кристаллах либо каплях воды. Вместе с этим, процесс поляризации характерен не только для направленного отражения (к примеру, от воды), но и для диффузного. В 1905 году было доказано, что чем темнее поверхность, от которой отражается световая волна, тем большей является степень поляризации. В историю это вошло, как закон Умова, названный в честь физика, которому удалось доказать эту зависимость. Если рассмотреть её на элементарном примере с асфальтным шоссе, то получается, что во влажном состоянии оно является более поляризованным, чем в сухом виде.

Применение в истории

Несмотря на то что впервые явление поляризации было открыто в 1871 году учёным удалось подробно его объяснить лишь в средине прошлого века. Как бы там ни было, есть исторические сведения, что оно использовалось викингами-моряками для навигации более одной тысячи лет тому назад. В большинстве случаев главным ориентиром для них служило солнце. Однако в облачную погоду они пользовались так называемым солнечным камнем. Есть все основания предполагать, что он представлял собой некий прозрачный минерал, что имел поляризационные свойства. Ориентиром при этом являлась появляющаяся на небе более тёмная полоса. Чтобы доказать предположение историков и действенность такого рода навигации, некоторое время назад норвежский лётчик совершил полёт на небольшом самолёте из родной страны в Гренландию, используя в виде ориентира лишь кристалл кордиерита – минерала с аналогичными солнечному камню характеристиками.

Поляризация и насекомые

Поляризация света видна многим насекомым. Особенно это касается пчёл и муравьёв, которые в облачную погоду благодаря такой своей особенности могут ориентироваться на местности и без труда возвращаться в места обитания. Такая способность достигается за счет строения зрительной системы. В то время как в глазе человека и любого другого млекопитающего животного светочувствительные молекулы располагаются беспорядочно, у насекомых они ориентированы в одном направлении и лежат в аккуратных рядах.

Поляризация некоторых оптических явлений и небесных объектов

Поляризационные эффекты характерны и для таких интересных природных явлений, как гало (светящиеся дуги, которые время от времени появляются вокруг солнца либо луны), радуга и отдельные виды полярного сияния. Это связано с тем, что во всех указанных случаях одновременно происходит отражение света и его преломление. Другими словами, если вращать фильтр и смотреть сквозь него на радугу, в определённый момент она станет практически невидимой. Что касается поляризации некоторых астрономических тел, то самым ярким её примером стала крабовидная туманность, которая наблюдается в созвездии Тельца. Дело в том, что испускаемые ею световые излучения возникают во время торможения магнитным полем стремительно летящих электронов.

Круговая поляризация

Некоторые из разновидностей жуков, спинки которых обладают металлическим блеском, способны отражать лучи и направлять их по кругу. Это явление так и называется – круговая поляризация света. Если рассмотреть через фильтр металлический отблеск от спинок этих насекомых, то можно увидеть, что он всегда закручен в левую сторону. До нашего времени учёным так и не удалось объяснить, в чём заключается биологический смысл данного явления.