ные гипотезы. Пытались объяснить голубой цвет неба как результат смешивания в определенных пропорциях света и тьмы . Предполагали, что частицы воздуха окрашены в голубой цвет. Допускали, что голубое свечение неба есть свечение люминесценции частиц воздуха, возникающее при облучении этих частиц солнечным светом. Сегодня все эти объяснения рассматриваются как несостоятельные.

Их несостоятельность была доказана уже более ста лет тому назад, в 1869 г., когда Дж. Тин-даль выполнил свой знаменитый опыт. Этот опыт совсем нетрудно воспроизвести в школьном кабинете физики. Возьмем аквариум прямоугольной формы, наполним его водой и направим на стенку аквариума слабо расходящийся узкий пучок света от диапроектора. Чтобы пучок был достаточно узким, вставим в диапроектор на место слайда кусочек плотной черной бумаги с круглым отверстием в центре диаметром 2...3 мм. Опыт должен проводиться в за-

темненном помещении. Для усиления рассеяния светового пучка при его прохождении через аквариум добавим в воду немного молока и тщательно размешаем жидкость. Содержащиеся в молоке частички жира не растворяются в воде; они находятся во взвешенном состоянии и способствуют рассеянию света. Можно наблюдать голубоватый оттенок у рассеянного света. Свет же, прошедший сквозь аквариум, приобретает красноватый оттенок. Итак, если смотреть на световой пучок в аквариуме сбоку, он представляется голубоватым, а с выходного торца- красноватым (рис. 1.4). Это можно объяснить, если предположить, что синий свет рассеивается сильнее, чем красный; при прохождении белого светового пучка через рассеивающую среду из него рассеивается в основном синий компонент , поэтому в выходящем из среды пучке начинает преобладать красный компонент .

В 1871 г. Дж. Стретт (Рэлей) именно так и объяснил результаты

опытов Тиндаля. Он построил теорию рассеяния световых волн на частицах, размеры которых много меньше длины световой волны. Установленный Рэлеем закон утверждает: интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты света или, иначе говоря, обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны.

Если применить закон Рэлея к рассеянию солнечного света в земной атмосфере, то нетрудно объяснить и голубой цвет дневного неба, и красный цвет солнца при восходе и закате. Поскольку интенсивнее рассеиваются световые волны с более высокими частотами, то, следовательно, спектр рассеянного света будет сдвинут в сторону более высоких частот, а спектр света, остающегося в пучке (после того как испытавший рассеяние свет покинул пучок), будет сдвинут, естественно, в обратную сторону - к более низким частотам. В первом случае белый цвет становится голубым, а во втором - красноватым. Глядя на дневное небо, наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере; согласно закону Рэлея, спектр этого света сдвинут в сторону более высоких частот, отсюда голубой цвет неба. Глядя на солнце, наблюдатель воспринима-

ет свет, прошедший через атмосферу без рассеяния; спектр этого света сдвинут к низким частотам. Чем ближе солнце к линии горизонта, тем более длинный путь проходят в атмосфере световые лучи, прежде чем попадут к наблюдателю, тем в большей мере сдвигается их спектр. В результате заходящее (восходящее) солнце мы видим в красных тонах. Вполне понятно также, почему нижняя часть заходящего солнечного диска выглядит более красной, нежели его верхняя часть.

Итак, основную роль играет зависимость интенсивности рассеяния света от его частоты. Но какова природа тех центров, на которых рассеиваются световые волны, проходя через атмосферу? Первоначально думали, что роль таких центров играют мельчайшие пылинки и капельки воды, находящиеся в воздухе. Однако такое предположение не объясняло чудесного голубого цвета неба в высокогорных районах, где воздух очень чистый и сухой.

В 1899 г. Рэлей выдвинул гипотезу, по которой центрами, рассеивающими свет, являются сами молекулы воздуха.

Позднее, уже в первой половине XX столетия, благодаря работам М. Смолуховского, А. Эйнштейна и Л. И. Мандельштама,

было установлено, что в действительности важно рассеяние света не на самих молекулах воздуха, а на несколько необычных объектах, возникающих вследствие хаотичного теплового движения молекул,- на флуктуациях плотности воздуха, т. е. случайно возникающих микроскопических сгущениях и разрежениях воздуха.

Остановимся на этом подробнее. Мысленно разобьем воздушное пространство на одинаковые ячейки. Они должны быть достаточно мелкими, т. е. линейные размеры ячейки должны быть много меньше длины волны света (хотя и существенно больше диаметра молекулы). Выберем произвольно момент времени и мыслен-

но сфотографируем картину распределения молекул воздуха в пространстве. Она показана на рисунке 1.5,а. Мы видим, что некоторые ячейки оказываются почти пустыми, а некоторые, напротив, будут относительно плотно заселены молекулами. Это есть следствие хаотичного теплового движения молекул воздуха. В результате плотность атмосферного воздуха будет случайным образом изменяться (флуктуировать) от одной ячейки к другой. Ясно, что в иной момент времени уже иные ячейки окажутся более (менее) плотно заселенными, но по-прежнему плотность воздуха будет случайно изменяться от одной точки пространства к другой.