Путешествует ли свет по прямой? Прозрачность
В предыдущей главе мы говорили о свете, путешествующем сквозь воду, и делали вид, что почти всё рассеяние света происходит на находящихся в воде частицах. Такой метод объяснения является общепринятым, и заставляет людей предполагать, что свет не взаимодействует с прозрачными веществами, такими как вода и стекло. Я вырос, считая, что стекло и вода являются прозрачными оттого, что фотоны просто не интересуется составляющими эти вещества молекулами, и проносятся мимо них, как ночные экспрессы.
Нет ничего более далекого от правды. Хотя вода и прозрачное стекло не сильно поглощают видимый свет, рассеивают они его как безумные. Даже в чистейшей воде фотон перемещается только на микроскопическое расстояние до того, как быть рассеянным молекулой. Со стеклом ситуация ещё хуже. Если каждую рассеянную волну складывать без учета фазы, то оба вещества, даже при малой толщине, были бы непрозрачны.
Так почему вода и стекло нам кажутся прозрачными? Аргументация одинакова для воды и стекла, поэтому давайте выберем воду и отправимся на ночное погружение. Предположим, что ваш приятель-дайвер светит фонарём в вашем направлении. Предположим также, что вы находитесь в открытом океане, и вода исключительно чистая. Испускаемый свет создал огромное количество расходящихся волновых фронтов рассеянного света в воде между вами и вашим приятелем (рис. 6.2). Фактически, волновые фронты излучается примерно из каждой промежуточной точки воды. Итак, что бы увидел третий дайвер, плывущий над вами обоими? Увидит ли он луч света, идущий от вашего приятеля к вам?
Нет, и вот почему. Предположим, что третий дайвер смотрит на одно место вдоль пути между вами и вашим приятелем. Свет, который он видит, представляет собой усредненный квадрат суммы всех электрических полей всех маленьких рассеянных волн, созданных лучом фонарика вдоль пути прохождения света. Сумма этих бесчисленных полей зависит от фазы каждого из них, которая зависит от расстояния, которое каждая конкретная волна прошла от пути луча до третьего дайвера. Поскольку молекулы воды очень близки друг к другу, излучаемые каждой из них сферические волны по достижению третьего дайвера имеют всевозможные фазы. Таким образом, эти бесчисленные волны погашают друг друга, и глаз третьего дайвера не видит ничего (это вроде как очень большой набор случайных чисел между -1 и 1 складывать с нулём). Теперь, вода никогда не бывает абсолютно чистой. Кроме того, случайные тепловые флуктуации самих молекул воды создают области большей и меньшей плотности, которые приводят к наблюдаемому рассеянию, но пока мы это игнорируем. Важно понять то, что суммирование большого числа парных волн с противоположной случайной фазой приводит к тому, что вещество может выглядеть как вообще не взаимодействующее со светом, хотя оно рассеивает свет в каждой своей точке. Для меня это высшая степень ловкости рук.
Но что относительно света, распространяющегося в прямом направлении? Разве предыдущий аргумент не означает, что и вы тоже не увидите луч света от фонаря своего приятеля? Вы, однако же, увидите, потому что в вашем случае весь рассеянный свет находится в фазе. Причина этого проста. Представьте себе, что в суперзамедленном мире световая волна от фонарика достигла первой молекулы воды. Как мы обсуждали в главе 4, электрическое поле световой волны начинает колебания в молекуле, которые затем индуцируют испускание другой световой волны с той же частотой, но теперь расходящуюся во всех направлениях. Однако световой волне требуется время для ускорения зарядов в молекуле воды, излучающих затем рассеянную волну. Даже электронам нужно некоторое время, чтобы ускориться. Из-за этой задержки в ускорении, идущая вперёд рассеянная волна имеет определенное фазовое соотношение с основной волной, подобно тому, как ребенок идет ровно на три шага позади своей матери. Как основная световая волна, так и рассеянная волна продвигаются вперёд к следующей молекуле. Основная волна гораздо более интенсивна, чем первая рассеянная, поэтому мы можем игнорировать влияние рассеянной волны на следующую молекулу. И опять, после небольшой задержки основная волна индуцирует рассеянную волну во второй молекуле. Поскольку время задержки до появления рассеянной волны у первой и второй молекул совпадают (задержка зависит от вещества, которым здесь является вся вода), и поскольку рассеянные волны таким образом находятся в определённом соотношении к основной волне, две рассеянные волны находятся в фазе друг с другом. Основная волна и эти две рассеянные волны и движутся к третьей молекуле и т.д., пока, в конце концов, за основной волной не начинает тянуться выводок рассеянных волн, подобно тому как за уткой тянутся утята, различаясь только тем, что вместо нахождения в линии все они находятся в фазе. Это означает, что присутствует конструктивная интерференция, и вы, как дайвер смотрящий на фонарик, видите яркий свет.
Только что упомянутая задержка также подразумевает, что находящиеся в фазе друг с другом и распространяющиеся в прямом направлении рассеянные волны не находятся в фазе с основной падающей волной. Проходящая через воду наблюдаемая световая волна является суммой этих двух волн с учетом интерференции. Мы не будем здесь делать расчёты, но у наблюдаемой волны более короткая длина волны, чем у исходной волны. Так как волны всё ещё имеют одинаковую частоту (и всегда будут, если только энергию не добавят или заберут), это означает, что фазовая скорость ниже. Можно догадаться, что время задержки – это то, что отвечает за показатель преломления материала. Некоторые материалы имеют необычные задержки, приводящие к тому, что суммированные волны имеют фазовую скорость быстрее, чем скорость света, а некоторые суммированные волны даже возвращаются назад (или даже возвращаются назад со скоростью выше, чем скорость света). Как я уже говорил в главе 5, ничто из этого не нарушает теорию относительности – вы по-прежнему не можете посылать сигнал быстрее, чем скорость света. Как основная, так и рассеянная волна продолжают двигаться с обычной скоростью c; просто их сумма выглядит так, будто творит странные вещи.
Суть в том, что есть разница между рассеянием и наблюдаемым рассеянием. Прозрачные объекты рассеивают много света, но только прямой рассеянный свет является наблюдаемым (или, по крайней мере, он является наиболее доминирующим). Интерференция между рассеянным вперёд светом и основным лучом – это то, что изменяет длину волны и фазовую скорость наблюдаемого луча света, и приводит к тому, что мы называем показателем преломления.
Прозрачность, конечно же, крайне важна для океанов и других водных мест обитания. Фактически, жизнь, если бы она могла существовать вообще, пошла бы совсем в другом направлении, если бы свет и другое излучение могло бы пройти только на микроскопическое расстояние под водой (на самом деле без прозрачности свет не прошёл бы даже через нижние слои атмосферы). Прозрачность также важна для линз и глаз, которые не могут функционировать, если они рассеивают огромное количество света. Прозрачность также близка и дорога моему сердцу, поскольку она встречается во многих пелагических видах, являющихся объектами моего изучения. Пелагическая (между поверхностью и дном) среда, особенно в открытом океане, является ужасно скверным местом для тех, на кого охотятся. Она невыразительная, только с самыми мягкими градиентами цвета и яркости. Кроме того, быстро обнаруживается что поблизости нет ни одной дыры, чтобы в неё залезть, или камня, чтобы за него запрыгнуть. Таким образом, если животное не будет быстрым, крупным, или защищённым каким-то другим образом, как только его заметит хищник – всё кончится. Это привело к эволюции некоторых впечатляющих тактик камуфляжа, редко встречающихся в других средах обитания, включая прозрачность, которая обнаруживается у пелагических членов почти каждой основной таксономической группы (см. Johnsen, 2001) (Вклейка 3).
Эта адаптация прекрасна, и многие животные похожи на обработанные кристаллы, причём повторить их характеристики – по крайней мере, в некоторых случаях – скорее всего, будет непросто. Некоторые, например многие медузы и гребневики, состоят почти на 100% воды и прозрачны в силу этой тривиальной причины. Другие, такие как личинки угрей и шипастых лобстеров, прозрачны, поскольку они тонкие. Из главы 5 вы помните, что поглощение и рассеяние света экспоненциальны, поэтому что угодно может быть прозрачным, если оно достаточно тонкое, даже металл. Однако есть много пелагических животных, не являющихся плоскими и имеющими плотную ткань, но при этом остающихся прозрачными. В их число входят некоторые виды рыб, головоногих моллюсков, ракообразных и червей. Как они делают это, всё ещё плохо изучено. Данные гистологии и тот факт, что вскоре после смерти животные становятся непрозрачными, говорят нам, что это не просто «потому что они в основном состоят из воды».
Детально были изучены прозрачные ткани человеческого тела – хрусталик и роговица глаза – и мы знаем, что они сильно изменены. Хрусталик состоит из длинных, лишённых ядра клеток, которые также, как правило, не содержат органелл (редкие исключения скрываются за радужкой, где они не влияют на зрение). Вместо этого в клетках высокая концентрация нескольких разных белков, называемых «кристаллинами», хотя они не являются кристаллами, и даже одним и тем же типом белка у разных видов (обычно они являются белками домашнего хозяйства, т.е. белками, необходимыми для осуществления базовых клеточных функций, с хорошей устойчивостью к денатурации и сгущению). Высокая концентрация этих белков придаёт хрусталику как высокий показатель преломления, так и путём непрочного склеивания белков вместе обеспечивает порядок, благодаря которому хрусталик прозрачен таким же образом, как прозрачны вода и стекло. Хотя кристаллины могут свободно перемещаться, если бы их концентрация была бы ниже, имелись бы области, где в результате более высокой или низкой концентрации, чем средняя в любой данный момент, появлялось бы наблюдаемое рассеяние. Элисон Суини изучала это для своей докторской диссертации, и обнаружила, что кристаллины в низких концентрациях могут фактически электростатически отталкивать друг друга для поддержания порядка (Sweeney et al., 2007).
Роговица является прозрачной, поскольку она представляют собой высокоупорядоченный массив коллагеновых волокон, которые прозрачны тем же способом, что вода и стекло. Хорошее эмпирическое правило, которому следуют как хрусталик, так и роговица (его мы упоминали в главе 5), состоит в том, что для прозрачности вещества оно должно выглядеть однородным во всех шкалах размера, превышающих половину длины волны падающего света (Benedek, 1971). Белок глаза сделан из тех же самых волокон, что и роговица, но его волокна больше и беспорядочно ориентированы, что приводит к наблюдаемому рассеянию и, следовательно, непрозрачности (рис. 6.3).
Пока ещё не известно, каким образом прозрачные животные становятся и остаются такими, но проведённые микроскопические исследования некоторых экземпляров не показали явных отличий от других животных в морфологии или ультраструктуре. Мы обнаружили некоторые едва различимые изменения, которые, возможно, уменьшают рассеяние (Johnsen and Kier, неопубликованные данные), но неизвестно, достаточны ли они, чтобы играть роль в прозрачности. Возможно, что некоторые прозрачные виды используют «очищающий агент», по существу являющийся каким-либо безобидным веществом, повышающим показатель преломления цитоплазмы и внеклеточной жидкости, так что он становится ближе к имеющим более высокий показатель плотным концентрациям белка, липидов и нуклеиновых кислот. Опять же, это захватывающая область, в которой вопросов больше, чем ответов.
Перед тем как расстаться биологической прозрачностью, рассмотрим две последние загвоздки. Во-первых, прозрачные животные должны есть. Оказывается, что даже прозрачные животные по большей части становятся непрозрачными, когда они мертвы и перевариваются. Кроме того, как мы обсуждали в главе 3, многие океанические животные являются биолюминесцентными и вспыхивают как сумасшедшие, когда их жуют и переваривают. Поэтому требуется непрозрачный кишечник, который также можно скрыть. Некоторые кальмары, гетероподы и амфиподы решили эту проблему умным способом. Их кишечник имеет форму иглы, а прикрепленные к нему мышцы гарантируют, что, независимо от того как ориентированно тело животного, кишечник всегда распложен вертикально. Это сводит к минимуму силуэт кишечника для животных, смотрящих снизу-вверх или сверху-вниз (Seapy and Young, 1986). Проблему с видом сбоку они решают, покрывая стенки кишки зеркалами, о которых мы поговорим позже.
Вторая загвоздка в том, что многие прозрачные животные тоже любят смотреть. Сетчатка по своему предназначению должна поглощать свет, и поэтому отбрасывает тень. Это особенно большая проблема для глубоководных животных, которым нужны большие глаза и высокопоглощающие сетчатки, улавливающие каждый фотон. Гиперидные амфиподы - большие ракообразные, паразитирующие на медузах, решили вопрос двумя способами (рис. 6.4).
Один амфипод, Cystisoma имеет гигантские сложные глаза. На самом деле вся голова – это только два глаза. Тем не менее, фоторецепторы находятся непосредственно за роговицей каждой фасетки глаза, распространяя сетчатку до точки, где она отбрасывает слабую тень. Напротив, гипериид Phronima (вдохновение для Чужого за его зловещий внешний вид и неприятный паразитический метод размножения) имеет четыре больших набора фасеток, связанных с четырьмя крошечными сетчатками. Я сказал «связан с», а не «сфокусирован на», потому что каждая фасетка глаза связана с набором клеток-фоторецепторов через конический волоконно-оптический кабель. Это необходимо, потому что сетчатки слишком маленькие и комковатые, чтобы получить изображение с помощью обычной геометрической фокусировки. Эта замечательная адаптация позволяет животному иметь большой оптический аппарат, необходимый для превосходного зрения при низком освещении, и сохранять крошечные сетчатки, почти не отбрасывающие тени (Nilsson, 1982).