Почему звезды лучистые?

Удаленные точечные источники света – звезды, лампы ночного освещения улиц, фары автомобилей и т. п. мы видим в окаймлении нескольких лучей. С другой стороны, при наблюдениях в телескопы и бинокли лучи у звезд отсутствуют. Возникает вопрос: какова природа этих лучей? В учебной литературе вплоть до настоящего времени отсутствует ответ на этот вопрос. Учитывая опыт работы автора за последние годы, материал по выяснению данного вопроса воспринимается учащимися с исключительным интересом. В большей части по изображениям на рисунках и картинах, которые люди рассматривают с детства, они в последующей жизни продолжают ошибочно считать, что лучами снабжены сами звезды. В подтверждение этому, например, скульптурное изображение  Вифлеемской звезды на месте рождения Иисуса Христа также выполнено с лучами. Такое представление с научной точки зрения является весьма наивным. По нашему мнению  в основе этого явления лежит  дифракция.

Для доказательства  этого рассмотрим следующие опыты, в которых использовали различные оптические щели для визуального наблюдения и фотографирования в затемненном помещении удаленного источника света, в качестве которого использовали нить накала лампочки для карманного фонарика на 6,3 В.  Щели изготовляли из половинок лезвий для бритья, склеивая их между собой пластилином так, чтобы их острые стороны образовывали щель требуемой формы. Размер многосторонних щелей по их площади составлял приблизительно 15 мм² . В большей части опытов щель устанавливали вплотную к объективу фотоаппарата. Лишь при использовании трехсторонней щели варьировали ее расстояние от объектива при съемке. Съемку источника света производили цифровым фотоаппаратом  типа   CANON G5 с расстояния около 2м. Опыты были начаты с прямоугольной щелью. Для неё результаты известны из школьной программы. Однако, напомним, что в случае прямоугольной щели шириной около 0,1 мм  наблюдаемая  дифракционная картина представляет собой систему чередующихся  максимумов и минимумов освещенности с убывающей от центра интенсивностью. Вид дифракционной картины приведен на фото 1. Внизу этой и последующих фотографий приведены рисунки используемых щелей. При увеличении ширины щели расстояние между максимумами освещенности уменьшается, затем они сливаются и остаются две светлые полосы по обе стороны от щели. Вид подобной картины приведен на фото 2 при ширине щели около 1мм. Напомним, что аналогичную картину мы сможем наблюдать, если, сощурив глаза, будем смотреть на источник света. Только в этом случае лучи будут располагаться вертикально.

 Далее было предпринято получение фотографий от многосторонних щелей. На фото 3 приведен вид дифракционной картины для трехсторонней щели при ее расположении вплотную к объективу.  На фотографии видно, что дифракционная картина представляет собой шестилучевую звезду, причем лучи имеют разную длину. Лучи длиннее напротив сторон щели, а напротив углов – короче. Это объясняется уменьшением зон Френеля при их расположении ближе к углам трехсторонней щели и уменьшением вследствие этого интенсивности световой волны. Если же щель, укрепленную на штативе, удалять от объектива фотоаппарата, то длина лучей будет уменьшаться, и при расстоянии между объективом и щелью около 0,5м  количество лучей дифракционной картины  станет равным трем, т.е. количеству сторон щели – фото 4.

На следующих фото (5 и 6) приведены дифракционные картины квадратной и шестисторонней щелей. На приведенных фотографиях видно, что количество лучей равно количеству сторон многосторонних щелей. Однако, это наблюдается только в том случае, если противоположные стороны щелей параллельны. Если же они не параллельны, то на каждую из сторон приходятся два перпендикулярных ей луча (фото 3). Таким образом, количество лучей (к) дифракционной картины  от многосторонней щели определяется формулой: к=2n, где n – число сторон щели, n = 1,2,3… Из приведенного материала видно, что многолучевая звезда образуется в результате дифракции и последующей интерференции немонохроматического (белого) света от зон Френеля многосторонней щели, с размерами, значительно превышающими длины волн света.

Наиболее близкой к картине, возникающей при визуальном наблюдении звезд, является картина, приведенная на фото 6. На чем же дифрагирует свет от звезд и других удаленных источников в человеческом глазу? – На его зрачке! Точнее в объеме зрачка, т.к. радужная оболочка, формирующая зрачок, имеет некоторую толщину. У многих этот ответ вызовет удивление: ведь зрачок то круглый. Да круглый, но только в его средней, самой узкой, части. На фото 7 и 8 показано, что поверхность радужной оболочки в ее сечении плоскостями, параллельными зрачку,  при его максимальном расширении принимает форму многоугольников. На фото 7 это подчеркнуто специально начерченными линиями, чтобы читатель смог подобные контуры увидеть на фото 8. Получение этих фотографий представляло некоторую методическую трудность, которая была успешно преодолена. Окончательной целью было получение фотографий глаза с расширенным зрачком и заметным за счет освещения рельефом радужной оболочки, который в сечениях, параллельных зрачку, образует многоугольники. При выполнении съемки фотоаппарат располагали на расстоянии 15см  от глаза. При слабом освещении фотоаппарат наводили на резкость, затем освещение выключали. По истечении приблизительно 1 минуты, когда в темноте зрачок максимально расширялся, а поверхность радужной оболочки принимала форму многогранника, проводилась съемка глаза со вспышкой. В момент съемки глаз не успевал прореагировать на свет и зрачок оставался расширенным. Чтобы создать боковое освещение радужной оболочки для обнаружения ее рельефности, сбоку от глаза (на фото - справа) располагали зеркало размером 300х450 мм,  которое в момент съемки освещалось направленной на него фотовспышкой.

Из приведенного материала видно, что лучи у звезд и других удаленных источников получаются в результате дифракции света в объеме глаза, ограниченном искривленной радужной оболочкой перед зрачком в его максимально расширенном состоянии. Самый простой опыт, который можно предложить учащимся для подтверждения того, что лучами снабжены не сами звезды, а их изображения на сетчатке глаза, заключается в том, чтобы при наблюдении звезд они повернули голову на бок, при этом на тот же угол повернутся и глаза, а вместе с ними - и лучи у звезд.

Редакция газеты «Физика» также обратила внимание на появление «крестов» и других фигур на фотографиях при съемке солнца, например, с помощью фотоаппаратов, а также – на экране телевизоров, когда телекамера направлена на осветительные юпитеры [1]. Подобное явление, как это следует из приведенного нами материала, объясняется также дифракцией света при использовании специальных насадок на объективы оптических приборов, что подтверждается и сообщением газеты «Физика» [2].

Приведенные в статье фотографии выполнены С.А.Скворцовым и автором.

Литература:

1.Небесные кресты над храмом. - Газета «Физика» №34, 2003г, с  32, с 1.

2.Уфология. - Газета «Физика» №48, 2003г, с 16.