Бросим камень в озеро: на поверхности появятся волны, образуя концентрические круги, которые радиально расходятся до первого препятствия. Если мы сфотографируем какой-то момент, то увидим просто круги на поверхности воды. Но если мы рассмотрим движение этих кругов, то сможем изобразить их стрелками, радиально направленными от места удара (➙ рис. 20.1).
То же самое происходит при перемещении зарядов (например, электронов), они вызывают локальные колебания электрического поля и электромагнитную волну, которая радиально распространяется во все стороны. В определенный момент эта волна может быть представлена в виде концентрических кругов. Но чтобы изобразить распространение этой волны, лучше воспользоваться радиальными стрелками, направленными за пределы круга.
Рис. 20.1 – Распространение кольцевых волн
Тогда волна будет представлена радиальными прямыми, а не концентрическими кругами: в случае света эти прямые называются световыми лучами. Мы видим, что эти лучи не похожи ни на что реально существующее, они необязательно выглядят пучком света, как, например, луч лазера. Они просто позволяют видеть направление распространения волны в различных точках пространства. Если луч отклонен, это значит, что направление распространения меняется по мере того, как свет достигает новых районов.
Бесконечно удаленный точечный объект
Продолжим рассматривать нашу волну, которая распространяется от одной точки во всех направлениях, и сильно удалимся от ее источника, как изображено на рис. 20.2. Мы констатируем, что световые лучи, достигающие нашего глаза, почти параллельны друг другу. Чем дальше мы от источника, тем сильнее эта параллельность.
Между тем источники света, расположенные очень далеко от нас, вполне обычны: Солнце, звезды, Луна, далекий маяк или даже уличный фонарь высотой в 20 м входят в эту категорию, потому что каждая точка этих объектов посылает лучи, которые достигают нашего глаза параллельно друг другу. В оптике такие источники света называются бесконечно удаленными. В дальнейшем, когда мы будем рассматривать параллельные лучи, это будет означать, что они исходят от бесконечно удаленного точечного объекта.
Рис. 20.2 – Влияние расстояния до объекта
(а) – лучи, исходящие из точки в лампе, сильно наклонены относительно друг друга. (b) – мы видим, что угол между лучами довольно мал. Чем дальше объект, тем меньше будет этот угол. На определенном расстоянии можно считать, что все лучи параллельны (бесконечно удаленный объект).
Бесконечно протяженный объект
Продолжим пример с Солнцем: оно бесконечно удалено, это значит, что заданная точка его поверхности посылает лучи, которые достигают нашего глаза параллельно друг другу. Но Солнце огромно: лучи, исходящие от его края, не параллельны тем, что исходят от его центра (➙ рис. 20.3).
Если бы все лучи были параллельны друг другу, Солнце было бы лишь точкой на небе, что вовсе не так. Мы видим, что источник света может быть бесконечно удаленным, но его лучи не параллельны друг другу при условии, что объект является «протяженным» (то есть достаточно большим).
Лучи, исходящие от края Солнца, показанные на рис. 20.3, образуют угол на уровне глаза. Этот угол называется «видимым диаметром» Солнца. Очевидно, что видимые диаметры выражаются в градусах, а не в метрах.
В дальнейшем мы попытаемся понять траекторию световых лучей, прежде чем попробуем изменить ее с помощью оптических приборов (целью этого может быть увеличение объекта, усиление света и т. д.). Мы рассмотрим ситуации, когда явление дифракции, описанное в предыдущей главе, не возникает: для этого понадобятся достаточно широкие отверстия, ибо мы видели, что дифракция возникает в узких отверстиях. Если точнее, можно продемонстрировать, что отверстие должно быть гораздо больше длины волны излучения. Поскольку длина волны видимого света измеряется в микрометрах, это условие будет легко соблюсти.
Рис. 20.3 – Бесконечно удаленный объект
Мы убеждаемся, что все лучи, исходящие из одной точки солнечного диска, почти параллельны друг другу. А лучи, исходящие из двух разных точек диска, не параллельны. Угол α, под которым мы видим солнце, называется видимым диаметром.