Чому у Рудольфа червоний ніс Існують десятки припущень, але правда лише одна - ВПЛИВ

Чому у Рудольфа червоний ніс - певна здогадка

У цю пору року практично неможливо не почути пісню "Рудольф з червоним носом", емоційну історію арктичного травоїда, ніс якого випромінює червоне світло. Це може звучати неясно жахливо, але пісня має щасливий кінець.

Чому у Рудольфа червоний ніс - певна здогадка

"Рудольф з таким яскравим носом,

Ви не ведете мої сани сьогодні ввечері? "

Тепер ця історія викликає всілякі запитання. Однак чи існує з цього приводу хороший кут фізики, а саме, чому його ніс особливо почервонів? У певному сценарії, описаному тут, є певна перевага мати червоний ніс, а не, скажімо, синій чи зелений.?

Трохи фізичної різдвяної магії

Зараз ви, мабуть, думаєте: "Ідіот, це просто пісня". Він "червоний", тому що краще сканує ". Але насправді є вагомі підстави для твердої фізики вважати, що червоний ніс може бути кращим вибором для проходження шляху в різдвяну ніч. Це також пов'язано з фізикою синього неба та барвистими заходами сонця, а також з нашим розумінням усіх, хто слідує за певною частиною фізичної різдвяної магії, відомої як "розмірний аналіз".

Туман - це, як відомо, без сумніву величезна колекція дрібних крапель води, зависла у повітрі. Окремі краплі практично непомітні, але в сукупності вони мають великий вплив на пропускання світла через повітря, що ускладнює далекогляд. Туман не тільки затемнює світло, яке надходить до нас із віддалених джерел (наприклад, ліхтарів шкільного автобуса), але і додає багато шуму тому, що ми бачимо, що розсіює світло від найближчих джерел. Ось чому туман є видимим явищем, хоча його досить важко ефективно сфотографувати.

Фізичне пояснення

Одне з перших слушних пояснень фізики, пов’язаної з цим, випливає з роботи британського фізика Джона Вільяма Струтта, більш відомого в історії як лорд Релі, в 1871 році. У "Про світло на небі, його поляризацію та колір" Релей пропонує аргумент про те, чому небо виглядає блакитним, дивлячись на розсіяння світла мікроскопічними частинками в атмосфері. Простий і вагомий аргумент Релей показує, що такі частинки набагато частіше розсіюють синє світло, ніж червоне світло. Аргумент настільки простий, що насправді він не вимагає знання ні про самі частинки, ні про деталі їх взаємодії зі світлом - потрібно лише знати, що вони дуже малі.

Аргумент Релея працює практично так: знаючи, що світло є електромагнітною хвилею, ми можемо думати про світло, розсіяне однією дрібною частинкою, через вхідний промінь світла та розсіяне світлове поле. Насправді нас цікавить інтенсивність світла, розсіяного на певній відстані від частинки, і, що зручно, існує лише декілька фізичних параметрів, які можуть вплинути на це: інтенсивність надходить світла, розмір частинок, склад частинки (що ми можемо описати за допомогою показника заломлення), довжини хвилі світла та відстані від частинки до місця, де ми вимірюємо вихідне поле.

Чим яскравіше світло, тим більше світла воно може випромінювати

Зараз цілком очевидно, що вихідна інтенсивність повинна бути пропорційною вхідній інтенсивності - чим яскравіше світло, тим більше світла воно може виходити - тому підрахувати легко. І Релей зазначив, що для частинки, меншої за довжину хвилі світла, кожен шматок частинки відчуває абсолютно однакове вхідне електромагнітне поле і повинен створювати одне і те ж вихідне поле у відповідь. Усі ці вихідні хвилі будуть додаватися плавно, тому розсіяне поле повинно бути пропорційним об'єму частинки - чим воно більше, тим більше речей розсіяно і сильніше поле вийде. Інтенсивність світла - це квадрат поля, тому розсіяна інтенсивність повинна залежати від квадрата об’єму.

Він піклується про два з п’яти параметрів, які можуть враховувати розрахунок розподілу - опір падаючого поля та розмір частинок. З основних принципів фізики ми також знаємо, що інтенсивність виходу повинна зменшуватися з відстанню згідно із законом оберненого квадрата. Це практично аргумент енергозбереження: загальна енергія у вихідному світлі на певній відстані від частинок - це просто інтенсивність на цій відстані, помножена на площу сфери цього радіуса з центром на частинках. Якщо збільшити відстань, площа збільшується як квадрат радіуса, але загальна енергія не може змінюватися, а це означає, що інтенсивність повинна зменшуватися на той самий коефіцієнт.

Релі - про п'ять параметрів

Це три з п’яти можливих параметрів, які можуть здатися безнадійними. Але Релі зазначив, що два інші параметри вимірюються в дуже різних одиницях. Довжина хвилі світла має одиниці довжини (очевидно), але склад частинки не може залежати від її розміру, тому показник заломлення, який ми використовуємо для її опису, не може включати одиниці довжини. Що означає, що ми можемо поглянути на те, що ми знаємо, і використати це, щоб з’ясувати, наскільки розсіяне світло залежить від довжини хвилі.

Отже, ми знаємо, що відношення між вихідною інтенсивністю та вхідною інтенсивністю не може мати жодних одиниць (оскільки це лише частка), а також дві речі, які ми визначили вище:

Це повинно залежати від квадрата об'єму (вимірюється в квадратних кубічних метрах, що становить метри на шостій потужності) і
Він повинен падати як квадрат відстані (квадратні метри). Отже, одиниці у звіті перед підрахунком довжини хвилі виглядають як (метри) 6/(метри) 2 (щось пов’язане з довжиною хвилі) = (метри) 4 (щось пов’язане з довжиною хвилі) . Нам потрібно скасувати всі одиниці, тому "(щось пов’язане з довжиною хвилі)" має бути "1/(довжина хвилі) 4". Згідно з аргументом Релея, тоді інтенсивність розсіяного світла повинна залежати від потужності над четвертою потужністю довжини хвилі.

Аргумент Релея набуває правильної залежності від довжини хвилі

Ми не знаємо, як це залежить від складу частинок (це виявляється трохи складно), але краса в тому, що не потрібно. Аргумент Релея отримує правильну залежність довжини хвилі, що нас насправді цікавить тут, і робить це таким простим і потужним способом, що здається майже магічним.

Цей тип розмірного аналізу є потужним інструментом для роздумів про фізику, а релеївське розсіяння є одним з найкращих прикладів його використання.

Яке відношення до цього має неоновий північний олень?

Ну, червоне світло знаходиться в кінці довжини хвилі видимого спектру, довжина хвилі становить близько 600 нанометрів. Обернена залежність четвертої потужності релеївського розсіяння означає, що ми очікуємо, що дрібні частинки розсіюватимуть трохи більше, ніж у п'ять разів більше синього, ніж червоне світло; це, в свою чергу, означає, що червоне світло повинно рухатися в п’ять разів довше, ніж синє світло (довжина хвилі близько 400 нанометрів) через повітря з дрібними частинками у суспензії.

Зараз Рейлі написав свою роботу за багато років до того, як Рудольфа Червононогих оленів винайшли як маркетингову витівку для Мейсі, тому він фізично про це не думав. Швидше він думав про колір неба - блакитний колір, який ми бачимо, дивлячись на приємний день, - це просто сонячне світло, розсіяне крихітними частинками, зваженими в атмосфері, які розсіюють набагато більше синього світла, ніж червоного. Це також причина, чому сонце заходить для нас червоним - на заході сонця сонячне світло проходить через значно більше атмосфери, а все зайве повітря розсіює синє світло частинами. Заходи сонця виглядають червоними, оскільки коротші довжини хвиль від сонця використовувались, щоб зробити небо блакитним для людей на нашому заході.

Яскраво-червоний ніс Рудольфа направляє сани Санти у Різдвяну ніч

Але ми пишемо тут дурний різдвяний пост, тож ми можемо використовувати ті самі основні міркування, щоб придумати найкращий спосіб керувати санями Діда Мороза. І аргумент лорда Релея з 1871 р. Свідчить про те, що з огляду на зграю оленів, які носом випромінюють різні кольори світла, найкращим вибором для їзди в туманну різдвяну ніч із грайливою швидкістю буде той, у кого ніс яскраво-червоний.

Таким чином, Рудольф Червонослий північний олень входить в історію, тоді як Ернест Синьоносий Рен лежить у темряві.