Рис. 5.9. “Компьютерный хрусталик” – сложный и крайне нерациональный гипотетический способ добиться резкого и одновременно яркого изображения.

Хорошо вот так взять и сотворить из ничего “волшебное окно” в своем воображении. Легко сказать – а сделать? Подумайте о том, какие сложные расчеты выполняет подключенная к волшебному окну машина. Компьютер обрабатывает данные о миллионах световых лучей, исходящих из миллионов всевозможных точек. Каждая частица поверхности дельфина посылает миллионы лучей под миллионом разных углов во все точки поверхности волшебного окна. Лучи пересекаются, словно прямые трассы на путаных многоуровневых дорожных развязках. Волшебное окно и соединенный с ним компьютер должны пропустить через себя все лучи по очереди и для каждого точно рассчитать свой угол преломления. Где раздобыть такой прекрасный компьютер – разве что обратиться к волшебнику? Неужели нас ждет горькое разочарование, неужели непреодолимое препятствие преградило нам путь к вершине?

Не все так печально. Компьютер на рисунке – всего лишь гипотетический пример того, сколь неразрешимой может показаться задача, если рассматривать ее только с одной стороны. Но если подойти к проблеме с другого бока, можно найти до смешного простой выход. Есть, оказывается, нехитрая вещь, которая обладает свойствами нашего волшебного окна и работает без компьютера, без высокотехнологичной электронной начинки и вообще без каких‐либо дополнительных условий. Это хрусталик. Компьютер больше не понадобится, потому что ничего не надо будет вычислять. Кусочек прозрачного материала с закругленными поверхностями автоматически, мгновенно выполняет сложнейшие расчеты углов для миллионов лучей. Прежде чем показать вам, что эволюция хрусталика должна была пройти без серьезных помех, я отвлекусь на небольшую прелюдию и объясню принцип действия линз.

По законам физики лучи, попадающие из одной прозрачной среды в другую, меняют направление (рис. 5.10). Угол выхода луча зависит от природы обеих сред, поскольку разные вещества имеют различные показатели преломления – этой величиной измеряется способность вещества менять направление световых лучей. У воды и стекла показатели преломления почти одинаковы, и в этом случае при переходе из одной среды в другую ход луча меняется незначительно. На границе стекла с воздухом луч преломляется гораздо сильнее, потому что воздух имеет относительно низкий показатель преломления. Излом луча на границе воды и воздуха настолько явственный, что нам кажется, будто весло погнулось.

На рис. 5.10 показан стеклянный кубик в воздухе. Жирная линия – это луч, который входит в кубик, преломляется, проходит его насквозь и вновь выходит под тем же углом, под каким вошел. Но, конечно, кусок прозрачного материала вовсе не обязательно имеет ровные, параллельные грани. В зависимости от кривизны поверхности луч может пойти как угодно. А если поверхность кубика состоит из множества лежащих под разными углами граней, пучок лучей может разойтись во все стороны (рис. 5.11). Выпуклый с одной стороны или двояковыпуклый кусок прозрачного материала представляет собой линзу и работает точно так же, как наше волшебное стекло. В природе достаточно прозрачных материалов. Вода и воздух, основные вещества на нашей планете, тоже прозрачные. Прозрачны и многие жидкости. Подойдут и кристаллы, отшлифованные морской волной почти до идеальной гладкости. Вспомните округлые прозрачные камешки различной формы, которые отполировал прибой. В зависимости от углов на поверхности такой камешек разбрасывает световые лучи от одного и того же источника в разные стороны. Форма камешка может быть любой. Чаще всего встречаются двояковыпуклые. Как они могут повлиять на ход световых лучей, падающих от одного источника – например, от лампочки?

Рис. 5.10. Преломление луча в стеклянном кубике.

Рис. 5.11. Необработанные камешки преломляют лучи как попало.

Пройдя сквозь кристалл с сильно выгнутыми сторонами, лучи сойдутся. Правда, не настолько точно, чтобы сформировалось четкое изображение источника света, как в нашей модели с воображаемым “волшебным стеклом”. На это можно только надеяться. Но тенденция к правильному ходу лучей будет заметна. Любой гладкий, округлый с обеих сторон обломок кварца будет работать не хуже “волшебного стекла” и, как самая настоящая линза, даст пусть нерезкие, но куда более яркие изображения, чем это позволяет сделать крохотная дырочка. На самом деле природные камешки, обработанные водой, почти всегда округлые и двояковыпуклые. Будь они прозрачными, многие из них могли бы послужить если не самыми красивыми, то вполне пригодными линзами.

Галька – лишь один из природных объектов, которые приобрели свойства линзы чисто случайно, без чьего‐либо умысла. Есть и другие. Повисшая на листике капля воды имеет округлую форму. Всегда, без исключения. Она могла бы стать примитивной линзой сама собой, без нашего вмешательства. Если нет противодействия каких‐нибудь сил, в частности силы тяжести, жидкости и гели неизбежно примут форму шарика. Зачастую линзы из них получаются просто потому, что иначе и быть не может. Так же ведут себя и многие другие биологические субстанции. Молодые медузы напоминают линзу как формой, так и изумительной прозрачностью. Они могут заменить собой линзы, хотя им самим это никакой пользы не принесет, и нет никаких оснований полагать, что естественный отбор благоприятствовал развитию у медуз свойств линзы. Прозрачная медуза не так заметна для врагов, что, наверное, дает преимущество, а плюсы округлой формы связаны вовсе не с оптикой, а со строением тела.

С помощью разных подручных средств, не предназначенных для этой цели, я получил кое‐какие картинки. На рис. 5.12а вы видите большую букву А, отображенную на листе бумаги, который я поместил на заднюю стенку камеры-обскура – глухой картонной коробки с маленьким отверстием на одной из сторон. Без подсказки вы, возможно, и не опознали бы букву. Чтобы она получилась достаточно яркой и ее вообще можно было бы разглядеть, я просверлил довольно большую дырку, диаметром примерно в сантиметр. Я мог бы сделать ее поменьше, и тогда картинка получилась бы более резкой, но не хватило бы чувствительности пленки: мы снова вынуждены идти на тот же компромисс.

Теперь посмотрим, как можно добиться совершенно иного результата даже с самыми нехитрыми “линзами”, вовсе не рассчитанными на такое применение. На рис. 5.12b изображена та же буква А на задней стенке той же коробки, снятая сквозь ту же дырочку. Но на этот раз я подвесил перед отверстием полиэтиленовый пакет с водой. Производители пакета не думали, что из него сделают линзу. Но если налить в него воды и подвесить, по естественным причинам он примет округлую форму. Пожалуй, если бы медуза была не такой складчатой, а более гладкой, она дала бы изображение даже более высокого качества. Надпись на рис. 5.12с (CAN YOU READ THIS?) получена с помощью той же продырявленной коробки, но перед отверстием я поместил уже не пакет, а круглый бокал с водой. Бокал для вина – безусловно, творение рук человеческих, но в намерения дизайнера не входило делать линзу, и круглую форму ему придали с иными целями. И вновь вещь, которую создавали вовсе не для этого, оказалась более или менее сносной линзой.