Неправильное отражение на воде, покрытой легкой рябью
Длинные дорожки света на поверхности воды неотделимы для меня от ощущения спокойного вечера. Я вижу Луну, отраженную в море и отбрасывающую широкую полосу света. Или я вспоминаю дома и башни древнего Брюгге, отраженные в спокойных каналах, причем каждое пятнышко света, каждая цветная полоса — все вытянуто по вертикали, и эти полосы, длинные и короткие, колышутся, делаясь то ярче, то темней, сверкая и угасая.
Интересно, что мы находим в отражении только вертикальные линии. Труба или тонкая высокая мачта отражаются очень отчетливо, но четкая линия крыш при этом исчезает. Вертикальные стволы деревьев отражаются весьма резко, но стволы деревьев, которые имеют хоть небольшой наклон, отражаются не так отчетливо, а их горизонтальные ветви совсем исчезают. Стройная шея лебедя отражается яркой полоской света, а туловище птицы теряется в движении воды.
Элементарное явление такого рода мы увидим, наблюдая вечером за уличными фонарями.
Отраженный ландшафт мы можем считать совокупностью световых точек, каждая из которых при отражении вытягивается в вертикальный столбик. Если линии ландшафта вертикальны, эти столбики перекрываются и усиливают друг друга; если горизонтальны, они лежат друг возле друга и расширяют линию.
Основное, что требует объяснения — это тот факт, что одна точка света вытягивается в длинную световую дорожку, направленную к нашему глазу, в то время как сами волны разбросаны по поверхности абсолютно неправильно и возникают одинаково часто во всех направлениях.
Видя отражение Луны или лампы на покрытой легкой рябью воде где-либо неподалеку от нас, мы замечаем, что в действительности каждая маленькая волна дает отдельное изображение. Все освещенные волны вместе образуют одну фигуру, представляющую собой продолговатое пятно, длинная ось которого лежит в вертикальной плоскости, проходящей через глаз и источник света.
Чтобы понять, каким образом появляется световая дорожка, начнем с простого опыта.
Сядьте к столу, положите на стол зеркало М так, чтобы лучи лампы L после отражения попадали в ваш глаз. Теперь положите под зеркало кусочек картона так, чтобы оно получило наклон в вашу сторону. Вы увидите, что зеркало отражает теперь предметы, находящиеся выше лампы. Если вы хотите, чтобы в глаз падал луч из точки L, вам будет нужно сдвинуть зеркало до точки N. Подложим теперь картон с другой стороны, чтобы зеркало было наклонено в противоположном от нас направлении, и передвинем зеркало в точку N'. Зеркало в этих двух наклонных положениях будет представлять крайние положения волн, при которых отраженный от них свет еще будет попадать в наш глаз. Расстояние между N и N' будет поэтому являться длиной световой дорожки. Во всех точках между N и N' найдутся участки волн такого рода, которые будут иметь достаточный наклон для того, чтобы отражать лучи в направлении к нашему глазу. Чем больше будет этих пятен, тем ярче будет световая дорожка в данной точке.
Таким образом, задача состоит в том, чтобы с помощью теории вероятностей рассчитать среднее распределение интенсивности света по такой дорожке. Это довольно сложная история! Несколько упростив задачу, мы примем, что крутизна склона волны не превышает некоторого угла а, и постараемся найти только границы полосы света. Мы сформулируем свою задачу так: если в каждом месте поверхности имеется большое число маленьких зеркальных волн, имеющих одинаковую крутизну склона а, но различное направление, то каковы тогда будут границы освещенной полосы? И даже если упростить задачу до такой степени, ответ будет достаточно сложен.
Сравните световую дорожку от Луны с дорожкой от лампы, дающей отражение приблизительно в том же направлении. Дорожки света тем больше, чем дальше они удалены от источника света. Предметы, находящиеся вблизи от воды, дают почти точечные, не удлиненные, отражения. Сравните различные световые дорожки, рассматриваемые под разными углами по отношению к поверхности воды. Определите угол 2а из длины световых пятен (в угловом измерении) при различной силе ветра.
Обратите внимание на то, как красивы длинные правильные вертикальные дорожки света при дожде: волны, хотя и небольшие, имеют очень крутые склоны.
Сравните световые дорожки от Солнца и от Луны при одинаковых условиях: из-за значительно большей силы света солнечная дорожка ярче; отдельные очень крутые склоны выделяются отчетливее, и этого достаточно, чтобы глаз переносил границу дальше от наблюдателя.