Почему небо голубое, а не зеленое?
Гипотеза: голубое небо и красные закаты как результат дисперсии света Солнца в атмосфере Земли
Как-то встретил на просторах сети интересный рассказ о потерянном времени:
“Почему небо голубое? Зачем небо не зеленое?” - спрашивал я всю свою сознательную жизнь. Пытался я спрашивать и у гугла, искал совета и у ответа маил ру, но так и не обрел уверенности в своих познаниях. Довольно стыдно в зрелом возрасте не знать ответы на подобные детские вопросы. В чем же загвоздка? В том, что информация представляется либо слишком учено-туманно, либо так упрощенно, что теряется всякий ее смысл. Я решил заполнить это бело-голубое пятно в своих собственных знаниях и за одно поделиться со всеми найденной информацией....
Почему небо голубое [Решено]? Ответ для чайников и физиков
Юрий Галин | Блог о джазе, IT и граффити
Почему же почему?
В нашем обществе сложился определенный культ вопросов в форме «почему...?», даже считается, что совместный с ребенком поиск ответов непременно и крайне полезен для его, ребенка, развития. Более того, если в доме завелся маленький почемучка, проявляйте нежную внимательность хотя бы из благоразумия, а то, не ровен час, можно попасть в цепкие лапы ювенальной юстиции:
― Я почемучка, а ты потомучка! И те взрослые, которые брезгливо отмахиваются от «докучных» вопросов ребенка, совершают непоправимо жестокое дело: они насильно задерживают его умственный рост, тормозят его духовное развитие.
К. И. Чуковский, «От двух до пяти»
Возможно, детям это действительно хорошо, но вот полезность упорных занятий вопросами «почему» в более зрелом возрасте вызывает определенные сомнения. Если более точно - сомнения относятся не столько к вопросам, сколько к формам ответов.
Должен сразу предупредить, что аргументация из следующей части «Хорошее «потому» может показаться несколько занудной, буде таковое произойдет вполне можно просто посмотреть картинки и перейти к «Альтернатива почему», там поинтересней будет.
Хорошее «потому»
Какова же форма хорошего ответа? Если вопрос про цвет неба отнести к естественным наукам (а куда еще?), то вариантов формы построения объяснений немного. Я бы даже сказал, что вариантов нет. Сейчас я приведу формулировку, которую точно можно сначала пропустить, но потом вернуться, если надо:
В современной методологии научного познания наиболее широкой известностью и почти всеобщим признанием пользуется дедуктивно-номологическая модель научного О.
...
Дедуктивно-номологическое О. представляет собой логический вывод, посылки которого называются экспланансом, а следствие - экспланандумом. Эксплананс должен включать в себя по крайней мере одно общее утверждение, а экспланандум должен логически следовать из эксплананса. Мы привели простейший вариант дедуктивно-номологического О. Оно допускает разнообразные модификации и обобщения. В общем случае в эксплананс может входить несколько общих и единичных утверждений, а вывод - представлять собой цепочку логических умозаключений. На месте экспланандума может находиться как описание отдельного события, так и общее утверждение, и даже теория.
- Словарь терминов логики. Объяснение
- Дедуктивно-номологическая модель научного объяснения
Формулировка монструозная, конечно, но надо сказать, что этот подход широко используется в школе. Например, типовая задачка:
Сопротивление проводника 6 Ом, а сила тока в нем 0,2 А. Определите напряжение на концах проводника.
- Закон: U = I * R
- Начальные условия: R=6 Ом, I = 0.2 А
- Напряжение U = 6 * 0.2 = 1.2 В
Исходя из закона («общее утверждение») и начальных условий (все вместе это и есть «эксплананс») мы только что дедуктивно-номологически объяснили, почему напряжение в такой сети (это, соответственно, будет «экспланандумом») должно быть 1.2 В.
Применительно к небу этот подход выглядит следующим образом. «Экспланандумом» у нас будет спектр диффузного излучения земного неба:
Нам требуется аналитически или при помощи численного моделирования получить такой спектр исходя из неких законов и начальных условий( каковыми являются зависимость состава и плотности атмосферы от высоты над уровнем моря), эти законы и условия и будут «экспланансом».
Заодно эту теорию хорошо бы применить к Марсу:
http://serious-science.org/what-color-is-the-sky-on-mars-7310
Если расчеты покажут, что на Марсе вокруг Солнца должен быть именно голубоватый ореол (вот как так?!), а само небо должно имеет розоватый (или, по мнению некоторых, «карамельный») оттенок - можно считать, что мы постигли тонкости прохождения света сквозь атмосферу планет и действительно умеем объяснять наблюдаемый спектр неба. Я пишу «спектр», так как с цветом все гораздо сложнее, ибо цвет зависит от человеческого восприятия, и, в общем-то, пока человек не побывал на Марсе, про цвет марсианского неба можно говорить весьма гипотетически:
According to this study, there seems to be a butterscotch sky and the Sun in a bluish glow, particularly noticeable during the sunsets on Mars. But things are more complex with human perception.
What color is the sky on Mars?
Т.е. вопрос даже про спектр уже весьма непрост, а уж вводная про то, в каком цвете это будет восприниматься, еще сильнее поднимает планку. Вот моя любимая картинка про цвет:
Многим(включая меня) кажется, что ягоды имеют очевидно красный цвет, что, при разложении в привычное RGB, вроде как подразумевает примат красного канала. Но нет - канал R на ягодах в основном имеет значение меньше, чем у G и B и в черно-белой изоляциии цвет воспринимается как некий зеленовато-синий оттенок, которому народ присвоил меткое название «циан».
В целом описанный - и стандарный для науки - подход дает возможность несколько умерить полет объяснительной фантазии исследователя и направить ее в конструктивное русло, поощряя проверять возникающие гипотезы о причине цвета. А то вдруг причина цвета какая-то иная?
Вот, например, в одной любопытной дискуссии в моем ЖЖ sawely3 визуально-шикарно объяснял цвета неба через дисперсию, см. первую картинку этой заметки. Как простому человеку понять, что является причиной окраски неба - дисперсия света или рэлеевское рассеяние?
Итак, честный ответ на вопрос «почему цвет неба такой» - совсем недетский. Вообще, последнее время с развитием технологий отвечать на детские вопросы становится все сложнее. Во времена оны, обладая знаниями в объеме средней школы и определенным упорством, можно было достаточно подробно описать процесс работы лампочки накаливания - исходя из толщины, длины и материала волоска лампы найти его сопротивление, далее по закону Ома - ток, далее мощность, затем, привлекая законы теплового излучения, получить температуру и, финально, искомый спектр. Нынешнее племя объяснителей появления света из светодиодной лампочки вынуждено продираться сквозь такие тернии:
... ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу...
Вот, честно, оно нам надо? Откуда же такая склонность искать и получать бессмысленные и не поддающиеся проверке ответы на «почему», которые сводятся к «так получилось»?
Альтернатива «почему»
Можно вполне интересоваться не теориями, которые лежат за гранью нашей возможности по их проверке, а фактами и их применением. Т.е. ставить вопрос не в форме «почему», а в форме «как измерить», «сколько», «когда», «кто», «как доказать», «как повторить», «как использовать» - вопросы в такой форме обычно имеют более конкретные, практически полезные, и, что не менее важно - интересные - ответы.
Спектр. На примере неба первым очевидным шагом будет знакомство со спектром «синей» части неба. Ибо понятию «синий» могут соответствовать разные комбинации интенсивностей длин волн. Спектр, при желании, вполне можно получить и сфотографировать для дальнейшего изучения в домашних условиях.
Кто называет небо синим? В поисках ответа на этот вопрос мы узнаем процент русскоговорящего населения на планете, а так же можем выяснить, что у англоговорящих будут проблемы с переводом известной читалки «...где-сидит-фазан» - ибо у «них» на «где-сидит» в словаре найдется только «blue».
А каков процент жителей России, которые видят небо синим? Оказывается, нет, не 100%! Миллионы людей в России цвета не различают. К слову, знакомые недавно были поражены вопросом ребенка-шестиклассника: «Мама, а какой из карандашей - зеленый»?. Ну и, как гласит википедия, сам Дальтон был протанопом (не различал красный цвет), но не знал о своей цветовой слепоте до 26 лет.
У кого еще с цветом не так, как у нас? Ситуация с blue может натолкнуть на мысль, что у других народов могут быть свои особенности классификации цветов, и в пользу этого можно найти интересные материалы:
Известно, что в начале в японском языке не было различий между зелёным и синим цветами, и для их обозначения применяли одно слово - аой. Отличать эти цвета в образовательных пособиях и учебниках начали где-то в середине ХХ века, но и сейчас словом аой могут обозначать цвет зелени. И во многих других азиатских языках даже если есть отдельные слова для синего и зеленого, природные объекты, например трава, кусты или листья, обозначаются синим, и только рукотворные зелёные предметы собственно зелёным.
Синий и зеленый в Японии. Интересный факт
Кстати, японский светофор:
https://multiurok.ru/blog/pochemu-v-iaponii-sinie-a-ne-zelenye-signaly-svetofora-1.html
А как люди воспринимали цвет раньше, в глубине веков? И здесь можно найти интригу:
В 1858 году британский литератор Уильям Гладстон заметил, что в «Илиаде» Гомера нет ни одного упоминания о синем цвете. Версия о том, что Гомер был слепым, давно отвергнута учеными: по страницам «Илиады» разбросаны красочные и детальные описания оружия, лиц, животных, деталей одежды и так далее. Однако многие вещи «окрашены» в непривычные для нас цвета. Так, гомеровский мед - зеленый, а море и овцы - фиолетовые.
Оттенки синего. Когда мы научились различать новый цвет
Есть шикарная гистограмма, отражающая динамику использования цветов художниками, за последние несколько веков доля синего цвета в картинах выросла разительно:
The colors of paintings: Blue is the new orange
Т.е. вроде как имеются аргументы в пользу того, что «синий» в товарных количествах действительно появился относительно недавно*.
Как видим, вполне можно осуществлять поучительный и занимательный поиск не задаваясь сакральным и часто бесполезным вопросом «почему».
Примечания
* Историческая концепция про синий как «новый» цвет, должен сказать, весьма неоднозначна, но все равно - интересно.