Как зеркало отражает?
Человек способен видеть благодаря свету. Кванты света – фотоны обладают свойствами и волны, и частицы. Источники света разделяют на первичные и вторичные. В первичных – таких как Солнце, лампы, огонь, электрический разряд – фотоны рождаются в результате химических, ядерных или термоядерных реакций. Вторичным источником света служит любой атом: поглотив фотон, он переходит в возбужденное состояние и рано или поздно возвращается в основное, излучив новый фотон. Когда луч света падает на непрозрачный предмет, все составляющие луч фотоны поглощаются атомами на поверхности предмета. Возбужденные атомы практически немедленно возвращают поглощенную энергию в виде вторичных фотонов, которые равномерно излучаются во все стороны.
Если поверхность шероховатая, то атомы на ней расположены беспорядочно, волновые свойства света не проявляются и суммарная интенсивность излучения равна алгебраической сумме интенсивности излучения каждого переизлучающего атома. При этом независимо от угла наблюдения мы видим одинаковый световой поток, отраженный от поверхности, – такое отражение называется диффузным. Иначе происходит отражение света от гладкой поверхности, например, зеркала, полированного металла, стекла. В этом случае переизлучающие свет атомы упорядочены относительно друг друга, свет проявляет волновые свойства, а интенсивности вторичных волн зависят от разностей фаз соседних вторичных источников света.
В результате вторичные волны компенсируют друг друга во всех направлениях, за исключением одного-единственного, которое определяется по хорошо известному закону – угол падения равен углу отражения. Фотоны словно упруго отскакивают от зеркала, поэтому их траектории идут от предметов, как бы находящихся позади него, – их-то и видит человек, глядя в зеркало.
Правда, мир зазеркалья отличается от нашего: тексты читаются справа налево, стрелки часов крутятся в обратную сторону, а если поднять левую руку, наш двойник в зеркале поднимет правую, и кольца у него не на той руке… В отличие от киноэкрана, где все зрители видят одно и то же изображение, в зеркале отражения для всех разные. Например, девушка на снимке видит в зеркале вовсе не себя, а фотографа (раз уж он видит ее отражение). Чтобы увидеть себя, надо расположиться напротив зеркала. Тогда фотоны, идущие от лица в направлении взгляда, падают на зеркало почти под прямым углом и возвращаются обратно. Когда они достигают глаз, вы видите свой образ по ту сторону стекла. Ближе к краю зеркала глаза ловят фотоны, отраженные им под некоторым углом. Значит, и пришли они тоже под углом, то есть от предметов, находящихся по сторонам от вас. Это позволяет видеть себя в зеркале вместе с окружающей обстановкой. Но от зеркала отражается всегда меньше света, чем падает, по двум причинам: не бывает идеально гладких поверхностей, и свет всегда немного нагревает зеркало.
Из широко распространенных материалов лучше всего отражает свет полированное серебро (более 95%). Из него делали зеркала в древности. Но на открытом воздухе серебро тускнеет из-за окисления, а полировка повреждается. К тому же металлическое зеркало получается дорогим и тяжелым. Теперь тонкий слой металла наносят на обратную сторону стекла, защищая от повреждений несколькими слоями краски, а вместо серебра ради экономии часто используют алюминий. Его коэффициент отражения – около 90%, и для глаз разница незаметна.
История зеркала
Археологи обнаружили первые небольшие зеркала из олова, золота или платины, относящиеся к эпохе Бронзы. Современную историю зеркал отсчитывают с XIII века, а точнее – с 1240 года, когда в Европе научились выдувать сосуды из стекла. Изобретение настоящего стеклянного зеркала следует отнести к 1279 году, когда итальянский монах-францисканец Джон Пекам описал способ покрывать стекло тонким слоем олова.
Производство зеркала выглядело так. В сосуд через трубку мастер вливал расплавленное олово, которое растекалось ровным слоем по поверхности стекла, а когда шар остывал, его разбивали на куски. Первое зеркало было несовершенным: вогнутые осколки слегка искажали изображение, но оно стало ярким и чистым. В XIII веке в Голландии освоили кустарную технологию производства зеркал. За ней последовали Фландрия и немецкий город мастеров Нюрнберг, где в 1373 году возник первый зеркальный цех.
В 1407 году венецианские братья Данзало дель Галло выкупили у фламандцев патент, и Венеция целых полтора века удерживала монополию на производство отличных венецианских зеркал, которые следовало бы именовать фламандскими. И хотя Венеция была не единственным местом производства зеркал в то время, но именно венецианские зеркала отличало высочайшее качество. Венецианские мастера добавляли в отражающие составы золото и бронзу, поэтому все предметы в зеркале выглядели даже красивее, чем в действительности. Стоимость одного венецианского зеркала равнялась стоимости небольшого морского судна, и для их покупки французские аристократы иногда были вынуждены продавать целые имения. Например, цифры, дошедшие до наших дней, говорят, что не такое уж большое зеркало размером 100х65 см стоило больше 8000 ливров, а картина Рафаэля того же размера – около 3000 ливров. Зеркала были чрезвычайно дороги. Покупать и коллекционировать их могли лишь очень богатые аристократы и королевские особы.
В начале ХVI века братья Андреа Доменико из Мурано разрезали вдоль ещё горячий цилиндр из стекла и половинки его раскатали на медной столешнице. Получилось листовое зеркальное полотно, отличавшееся блеском, хрустальной прозрачностью и чистотой. Такое зеркало, в отличие от осколков шара, ничего не искажало. Так произошло главное событие в истории производства зеркал.
Стекло и Франция
В конце XVI века, поддавшись моде, французская королева Мария Медичи заказала в Венеции 119 зеркал для своего зеркального кабинета, заплатив за заказ огромную сумму. Венецианские зеркальщики в ответ на королевский жест проявили также необыкновенную щедрость – подарили французской королеве Марии Медичи зеркало. Оно является самым дорогим в мире, и сейчас хранится в Лувре. Украшено зеркало агатами и ониксами, а рама инкрустирована драгоценными камнями.
Французы оказались способными учениками, и вскоре даже превзошли своих учителей. Зеркальное стекло стали получать не выдуванием, как это делали в Мурано, а литьём. Технология заключается в следующем: расплавленное стекло прямо из плавильного горшка выливают на ровную поверхность и раскатывают вальцом. Автором этого способа называют Луку Де-Негу.
Изобретение пришлось как нельзя кстати: в Версале строили Галерею зеркал. Она была длиной 73 метра, и нуждалась в зеркалах большого размера. В фирме «Сан-
Габен» изготовили 306 таких зеркал, чтобы их сиянием ошеломить тех, кому посчастливится побывать в гостях у короля в Версале. Как после этого было не признать за Людовиком XIV права именоваться «король-солнце»? После открытия французской зеркальной мануфактуры цены на зеркала стали резко снижаться. Этому способствовали также немецкие и богемские стекольные заводы, производившие зеркала по более низкой стоимости. Зеркала стали появляться на стенах частных домов, в картинных рамах. В XVIII веке уже две трети парижан обзавелись ими. Кроме того, дамы стали носить на поясе маленькие зеркальца, прикрепленные цепочками.
Революцию в производство зеркал принес немецкий химик, Юстус фон Либих, начав применять се ребро в 1835 году для серебрения зеркал и получая более ясное изображение. Эта технология, практически без изменений до сих пор используется в производстве зеркал.
Как зеркало искажает нашу внешность
Отражающие свойства современных зеркал зависят не только от вида амальгамы, но и от ровности поверхности и «чистоты» (прозрачности) стекла. Лучи света чувствительны даже к таким неровностям, которые не видны человеческому глазу.
Любые дефекты стекла, возникающие в процессе его изготовления, и структура отражающего слоя (волнистость, пористость и прочие дефекты) влияют на «правдивость» будущего зеркала.
Степень допустимого искажения отображает маркировка зеркал, она делится на 9 классов – от М0 до М8. Количество пороков зеркального покрытия зависит от метода изготовления зеркала. Наиболее точные зеркала – класса М0 и М1 производят методом Флоат. Горячую стекломассу выливают на поверхность раскаленного металла, где она равномерно распределяется и охлаждается. Такой способ отливки позволяет получить максимально тонкое и ровное стекло.
Классы М2-М4 изготавливают по менее совершенной методике – Фурко. Горячую ленту стекла вытягивают из печи, пропуская между валиками, и охлаждают. В этом случае конечный продукт имеет поверхность с утолщениями, которые являются причиной искажения отражения.
Идеальное зеркало М0 встречается редко, обычно в продаже самое «правдивое» – М1. Маркировка М4 говорит о незначительном искривлении, покупать зеркала последующих классов можно разве что для оборудования комнаты смеха.
Специалисты считают наиболее точными зеркала с серебряным покрытием, произведенные в России. У серебра более высокий коэффициент отражения, а отечественные производители не используют маркировку выше М1. А вот в изделиях китайского производства мы покупаем зеркала М4, которые не могут быть точными по определению. Нельзя забывать про свет – наиболее реалистичное отражение обеспечивает яркое равномерное освещение объекта.
Отражение как проекция
Все в детстве посещали так называемую комнату смеха или смотрели сказку про Королевство кривых зеркал, поэтому никому не нужно объяснять, как меняется отражение на выпуклой или вогнутой поверхности. Эффект кривизны присутствует и в ровных, но очень больших зеркалах (со стороной ≥1 м). Это объясняется тем, что их поверхность деформируется под собственным весом, поэтому большие зеркала делают из листов толщиной не менее 8 мм.
Но идеальное качество зеркала не является залогом его «правдивости» для отдельного индивида. Дело в том, что, даже имея безупречно ровное зеркало, которое очень точно отображает внешние объекты, человек воспримет отражение с дефектами, обусловленными его индивидуальными особенностями.
То, что мы привыкли считать своим отражением, в действительности не является им – это всего лишь зрительная проекция, которая проявляется в подкорке головного мозга, благодаря работе сложной системы восприятия человека.
На самом деле восприятие во многом зависит от функции органов зрения (глаз человека, который смотрится в зеркало) и работы мозга, трансформирующего поступающие сигналы в образ. Как иначе можно объяснить визуальную зависимость искажения отражения от формы зеркала?! Ведь всем известно, что вытянутые (прямоугольные и овальные) зеркала стройнят, а квадратные и круглые зрительно полнят. Так работает психология восприятия человеческого мозга, который анализирует поступающую информацию, привязывая ее к знакомым предметам и формам.
Зеркало и фото – что правдивее?
Известен еще один странный факт: многие люди подмечают разительные отличия между своим отражением в зеркале и собственным изображением, которое они видят на фото. Особенно это волнует представительниц прекрасного пола, желающих по старой русской традиции знать лишь одно: «я ль на свете всех прекрасней?».
Явление, когда человек не узнает себя на фотографии, довольно распространено, ведь в своем внутреннем мире он или она видят себя иначе – и во многом благодаря зеркалу. Этот парадокс послужил причиной сотен научных исследований. Если все ученые выводы перевести на простой язык, то подобные различия объясняются особенностями оптического устройства двух систем – объектива фотоаппарата и органов зрения человека.
- Принцип действия рецепторов глазного яблока совсем не такой, как у стеклянной оптики: линза фотоаппарата отличается от строения хрусталика глаза, а еще он может быть деформирован вследствие усталости глаза, возрастных изменений и пр.
- На реальность изображения влияет количество точек восприятия объекта и их расположение. В фотоаппарате только одна линза, поэтому изображение получается плоским. Органы зрения у человека и доли мозга, фиксирующие изображение, – парные, поэтому мы воспринимаем отражение в зеркале объемным (трехмерным).
- Достоверность фиксации образа зависит от освещения. Фотографы часто используют эту особенность, создавая на фото интересный образ, разительно отличающийся от реальной модели. Рассматривая себя в зеркале, люди обычно не меняют освещение так, как это делает вспышка фотоаппарата или софиты.
- Еще один немаловажный аспект – расстояние. Смотреться в зеркало люди привыкли вблизи, тогда как фотографируются чаще издалека.
- Кроме того, время, необходимое фотоаппарату для снимка ничтожно мало, в фотографии даже существует специальный термин – выдержка. Фотообъектив выхватывает долю секунды, запечатлевая порой неуловимое для глаз выражение лица.
Как видите, каждая система имеет свои особенности, влияющие на искажение изображения. Учитывая эти нюансы, можно сказать, что фото точнее фиксирует наш образ, но только на мгновение. Человеческий же мозг воспринимает изображение в более широком спектре. И дело не только в объеме, а еще и в невербальных сигналах, которые люди посылают постоянно. Поэтому с точки зрения восприятия нас окружающими людьми, отражение в зеркале более правдиво.
10 сумасшедших фактов о зеркалах
Зеркала не только помогают нам приводить себя в порядок, но также служат на благо науке
Все мы каждый день смотримся в зеркало, но зеркала предназначены не только для проверки того, как вы выглядите, или того, есть ли ещё один автомобиль позади вас, когда вы за рулём. С зеркалами можно делать совершенно безумные вещи – в том числе, например, создать и поддерживать червоточину достаточно стабильную для того, чтобы путешествовать во времени. Зеркала и фантомные конечности могут помочь нам больше узнать о мозге, а также с помощью зеркал можно измерить расстояние до Луны.
Предлагаем вам прочитать десять удивительных фактов о зеркалах:
1. Зеркала и путешествия во времени
Все мы слышали, что во времени возможно путешествовать с помощью червоточин, не так ли? Беда только в том, что червоточины крайне нестабильны – они быстро разрушаются, так что пройти через них крайне затруднительно.
Однако пара зеркал может решить проблему. Всё, что вам нужно – это два незаряженных зеркала (подойдут и металлические пластины) в вакууме, размещённые на расстоянии в несколько микрометров друг от друга. Обязательно убедитесь, что между ними нет никакого внешнего электромагнитного поля. Проявится эффект Казимира – физическая сила, возникающая благодаря квантовому полю между зеркалами.
Эта квантово-электродинамическая сила порождает массивную отрицательную область пространства-времени между зеркалами, в результате чего может появиться стабильная червоточина, через которую теоретически возможно путешествовать со скоростью быстрее скорости света. Так, согласно теории, вы могли бы совершить путешествие в прошлое, но будущее, к сожалению, остаётся недоступным, так что узнать выигрышные номера лотерейных билетов не получится. Есть и другая ложка дёгтя в бочке мёда – такие стабильные червоточины бесконечно малы, так что познакомиться со своей прапрабабушкой тоже пока затруднительно.
2. Зеркала, фантомные конечности и человеческий мозг
Эксперименты с использованием зеркал на пациентах с фантомными конечностями позволили исследователям узнать много нового о том, как работает мозг. Учёные размещают зеркала на столе вертикально, и между ними отражается целая конечность пациента – скажем, рука. Отражение неповреждённой руки накладывается на сторону фантомной конечности, так что пациенту при этом кажется, что он видит обе руки – и целую, и отсутствующую.
Звучит жутко, но когда человек видит обе руки, он чувствует, как его фантомная рука двигается, даже если он потерял её лет десять назад или больше. Когда к его целой руке прикасаются, он чувствует прикосновение и к фантомной руке. После нескольких повторений процедуры пациенты чувствовали, что их фантомная конечность исчезла. Учёные считают, что эффект обусловлен пластичностью мозга – тем, как мозг создаёт новые нейронные пути после потери конечности. Также учёные считают, что между зрением и осязанием в головном мозге существует очень тесная связь.
3. Зеркала вызывают галлюцинации
Когда вы смотритесь в зеркало, может возникнуть странная иллюзия. Попробуйте сами: сядьте в тёмной комнате напротив зеркала примерно в метре от него и смотрите на своё лицо в течение десяти минут. В комнате должно быть так темно, как только возможно, чтобы при этом вы отчётливо могли видеть своё отражение.
Сначала вы заметите, как ваше лицо в зеркале немного исказится. Постепенно отражение будет меняться быстрее, станет больше похожим на маску – возникнет ощущение, что лицо в зеркале вам не принадлежит. Некоторые люди видят лица незнакомых людей, фантастических монстров или морды животных.
Учёные считают, что такой эксперимент может помочь нам лучше понять самих себя. Некоторые психологи полагают, что метод подходит для лечения шизофрении – так пациенты сталкиваются со своими другими «я».
4. Все ли узнают себя в зеркале?
Узнавать себя в зеркале – совершенно естественно: по крайней мере, именно так скажет большинство людей, однако пройти тест на самоопознание в зеркале способен не каждый. Учёные ставят на лицо или тело испытуемого метки, чтобы определить, узнаёт ли человек в зеркале себя – если да, то он, скорее всего, попытается стереть отметину. Дети, например, начинают узнавать себя в зеркале только в возрасте 24-х месяцев.
Однако когда исследователи протестировали детей из таких стран, как Кения или Фиджи, то были сильно удивлены – шестилетние дети этот тест пройти не смогли. Но это не признак того, что они не имеют возможности психологически отделять себя от других людей. Скорее всего, проблема в культурных различиях: дети, как правило, замирали перед собственным отражением – это доказывает, что они понимали, что видят именно себя, а не кого-то другого.
5. Животные, которые узнают себя в зеркале
Итак, многие люди зеркальный тест на самоопознание не проходят. То же касается и большинства животных – но не всех. Может ли это означать, что некоторые животные способны опознавать собственное отражение? Учёные полагают, что да.
Например, слоны, находясь перед зеркалом, стирать отметину на своей голове не стали, зато выказали очевидные признаки самоопознания – выполнили ряд повторяющихся движений. Возможно, некоторых животных просто не волнует наличие посторонних отметин на их теле, следовательно, они на них не реагируют.
Гориллы тест с отметинами тоже проходят не так, как люди. Тем не менее, горилл легко смутить: зрительный контакт в обществе горилл чрезвычайно важен, так что после того, как они рассмотрели себя в зеркале, они, как правило, старались
уединиться и уже тогда стереть отметины, которые ранее видели в зеркале. Так что в настоящее время считается, что гориллы способны опознать себя в зеркале.
Возможно, дело в том, что тест с отметинами не эффективен для большинства видов животных, так что многие виды, пожалуй, обладают куда более развитым самосознанием, чем мы думаем. Зеркальный тест также способны пройти шимпанзе, орангутанги, бонобо, дельфины, касатки и европейские сороки.
6. Зеркала на Луне
Расстояние от нас до Луны составляет примерно 384 403 км, и мы смогли узнать его благодаря зеркалам. Расстояние от Луны до Земли постоянно изменяется из-за того, что Луна вращается вокруг нашей планеты по эллиптической орбите. Расстояние от ближайшей точки орбиты Луны до Земли, известной как перигей, – всего в 363 104 км, а в апогее, самой дальней точке, это расстояние равно 406 696 км.
Астронавты программы «Аполлон» установили на Луне уголковый отражатель, который и использовался для вычисления расстояния от Земли до Луны. Уголковые отражатели – это зеркала особого типа, отражающие лазерный луч обратно в том направлении, откуда он пришёл. Эти лазерные лучи направляются на Луну с помощью огромных телескопов на Земле, и их отражённый свет позволяет ученым вычислить расстояние до Луны с точностью до трёх сантиметров.
Уголковые отражатели также увеличили наши знания о Луне. Например, они предоставили информацию о лунной орбите, и теперь нам известно, что спутник каждый год отдаляется от Земли примерно на 3,8 см. Эти данные даже были использованы для проверки теории относительности Эйнштейна.
7. Зеркала могут отражать звук
Зеркала, отражающие звуковые волны, известны как акустические зеркала. Они применялись в Великобритании во время Второй Мировой войны для обнаружения определённых звуковых волн, поступающих от вражеской авиации. Это было ещё до появления радара.
Такие зеркала строились по всему побережью Великобритании, самые знаменитые из них до сих пор стоят в Денге, графство Кент. Просто так подойти к ним нельзя, доступ ограничен – увидеть зеркала можно только на специальной экскурсии.
Единственное в мире акустическое зеркало за пределами Великобритании расположено в Мактабе, Мальта. Это одно из самых больших подобных зеркал в мире – его диаметр около 61-го метра. На местном наречии зеркало также называют «Il widna», что в переводе означает «ухо». Местонахождение «Уха» не является секретом, но свободный доступ к нему закрыт.
8. Зеркала отражают материю
Удивительно, но существуют зеркала, которые могут отражать материю – в физике они известны как атомные зеркала. Атомное зеркало отражает атомы вещества так же, как обычное зеркало отражает свет. Чтобы отразить нейтральные атомы, используются электромагнитные поля, хотя в некоторых зеркалах используется обыкновенная кремниевая вода.
Отражение от атомного зеркала – это по существу квантовое отражение волн де Бройля. Оно работает для отражения нейтральных атомов, которые движутся медленно: такие атомы в основном отталкиваются от поверхности зеркала. Свойство может быть использовано для улавливания медленных атомов или фокусировки
атомного пучка. Лучше работают ребристые атомные зеркала благодаря большей длине волн вещества по сравнению с минутными фотонами света.
9. Правдивые зеркала
То, что зеркало показывает ваше лицо «перевёрнутым», – это миф: ваше отражение не перевёрнуто, то, что вы видите – это левая сторона вашего лица слева от зеркала и правая сторона справа; поэтому и создаётся иллюзия, что ваше отражение перевёрнуто.
Тем не менее, существует так называемое нереверсивное, или правдивое зеркало – оно позволяет человеку видеть себя в зеркале точно так, как его видят другие люди. В первую очередь такие зеркала используются для нанесения макияжа.
Правдивое зеркало легко создать в домашних условиях: просто поставьте два обычных зеркала перпендикулярно друг к другу и посмотрите на своё отражение от объединения: правдивое зеркало даст вам 3D-отражение, которое двигается точно так же, как вы, а не плоское, как в обычном зеркале.
10. Зеркала разделяют лучи света
Зеркала могут не только отражать свет, звук и материю – они также могут разделять лучи света. Зеркала используются во многих светоделителях и большинстве научных приспособлений, в том числе в телескопах. Стандартный светоделитель представляет собой куб, сделанный из двух стеклянных призм на одной основе. Когда лучи света попадают на светоделитель, половина из них продолжает двигаться по прежней траектории, а другая половина отражается под углом 90°.
Выводы
Отражение происходит из-за того, что зеркало и водная гладь очень ровные и почти не поглощают свет. На самом деле абсолютно все, что мы видим, – это отраженный от предметов свет. Когда мы видим наше отражение, мы видим свет, который сначала отразился от нашего тела, потом от зеркала и после этого попал к нам в глаза. Точно так же, когда мы видим перед собой футбольный мяч, мы видим всего лишь свет, который от него отразился. Причем чаще всего от предметов отражается не весь свет, а его часть. Когда свет от солнца падает на наш футбольный мяч, в нем содержатся лучи света всех возможных цветов, но во время отражения часть солнечных лучей может поглотиться поверхностью мяча. Так, если мяч желтый, это значит, что желтые лучи от него отразились, а все остальные – нет. Черный цвет мы видим, когда поглощаются все лучи, а белый, когда все лучи отражаются. От зеркала и от водной глади тоже отражаются почти все лучи солнца.
Но этого недостаточно. Когда лучи света падают на какую-то поверхность, все они идут стройными параллельными рядами. Но если поверхность неровная, то лучи света будут отражаться от нее в разные стороны в зависимости от той неровности, на которую они упали. Причем эти неровности могут быть очень маленькими, и этого будет достаточно, чтобы мы не увидели отражения. Снег, например, отражает все лучи, которые на него падают, но отражения мы в нем не увидим, потому что отраженные от него лучи рассеиваются в разные стороны. В отличие от снега, гладь воды, зеркало или любая другая отполированная поверхность очень ровные, поэтому от них свет отражается точно так же, как падает, и мы видим свое отражение.
Источники
Человек способен видеть благодаря свету. Кванты света – фотоны обладают свойствами и волны, и частицы. Источники света разделяют на первичные и вторичные. В первичных – таких как Солнце, лампы, огонь, электрический разряд – фотоны рождаются в результате химических, ядерных или термоядерных реакций. Вторичным источником света служит любой атом: поглотив фотон, он переходит в возбужденное состояние и рано или поздно возвращается в основное, излучив новый фотон. Когда луч света падает на непрозрачный предмет, все составляющие луч фотоны поглощаются атомами на поверхности предмета. Возбужденные атомы практически немедленно возвращают поглощенную энергию в виде вторичных фотонов, которые равномерно излучаются во все стороны.
Если поверхность шероховатая, то атомы на ней расположены беспорядочно, волновые свойства света не проявляются и суммарная интенсивность излучения равна алгебраической сумме интенсивности излучения каждого переизлучающего атома. При этом независимо от угла наблюдения мы видим одинаковый световой поток, отраженный от поверхности, – такое отражение называется диффузным. Иначе происходит отражение света от гладкой поверхности, например, зеркала, полированного металла, стекла. В этом случае переизлучающие свет атомы упорядочены относительно друг друга, свет проявляет волновые свойства, а интенсивности вторичных волн зависят от разностей фаз соседних вторичных источников света.
В результате вторичные волны компенсируют друг друга во всех направлениях, за исключением одного-единственного, которое определяется по хорошо известному закону – угол падения равен углу отражения. Фотоны словно упруго отскакивают от зеркала, поэтому их траектории идут от предметов, как бы находящихся позади него, – их-то и видит человек, глядя в зеркало.
Правда, мир зазеркалья отличается от нашего: тексты читаются справа налево, стрелки часов крутятся в обратную сторону, а если поднять левую руку, наш двойник в зеркале поднимет правую, и кольца у него не на той руке… В отличие от киноэкрана, где все зрители видят одно и то же изображение, в зеркале отражения для всех разные. Например, девушка на снимке видит в зеркале вовсе не себя, а фотографа (раз уж он видит ее отражение). Чтобы увидеть себя, надо расположиться напротив зеркала. Тогда фотоны, идущие от лица в направлении взгляда, падают на зеркало почти под прямым углом и возвращаются обратно. Когда они достигают глаз, вы видите свой образ по ту сторону стекла. Ближе к краю зеркала глаза ловят фотоны, отраженные им под некоторым углом. Значит, и пришли они тоже под углом, то есть от предметов, находящихся по сторонам от вас. Это позволяет видеть себя в зеркале вместе с окружающей обстановкой. Но от зеркала отражается всегда меньше света, чем падает, по двум причинам: не бывает идеально гладких поверхностей, и свет всегда немного нагревает зеркало.
Из широко распространенных материалов лучше всего отражает свет полированное серебро (более 95%). Из него делали зеркала в древности. Но на открытом воздухе серебро тускнеет из-за окисления, а полировка повреждается. К тому же металлическое зеркало получается дорогим и тяжелым. Теперь тонкий слой металла наносят на обратную сторону стекла, защищая от повреждений несколькими слоями краски, а вместо серебра ради экономии часто используют алюминий. Его коэффициент отражения – около 90%, и для глаз разница незаметна.
История зеркала
Археологи обнаружили первые небольшие зеркала из олова, золота или платины, относящиеся к эпохе Бронзы. Современную историю зеркал отсчитывают с XIII века, а точнее – с 1240 года, когда в Европе научились выдувать сосуды из стекла. Изобретение настоящего стеклянного зеркала следует отнести к 1279 году, когда итальянский монах-францисканец Джон Пекам описал способ покрывать стекло тонким слоем олова.
Производство зеркала выглядело так. В сосуд через трубку мастер вливал расплавленное олово, которое растекалось ровным слоем по поверхности стекла, а когда шар остывал, его разбивали на куски. Первое зеркало было несовершенным: вогнутые осколки слегка искажали изображение, но оно стало ярким и чистым. В XIII веке в Голландии освоили кустарную технологию производства зеркал. За ней последовали Фландрия и немецкий город мастеров Нюрнберг, где в 1373 году возник первый зеркальный цех.
В 1407 году венецианские братья Данзало дель Галло выкупили у фламандцев патент, и Венеция целых полтора века удерживала монополию на производство отличных венецианских зеркал, которые следовало бы именовать фламандскими. И хотя Венеция была не единственным местом производства зеркал в то время, но именно венецианские зеркала отличало высочайшее качество. Венецианские мастера добавляли в отражающие составы золото и бронзу, поэтому все предметы в зеркале выглядели даже красивее, чем в действительности. Стоимость одного венецианского зеркала равнялась стоимости небольшого морского судна, и для их покупки французские аристократы иногда были вынуждены продавать целые имения. Например, цифры, дошедшие до наших дней, говорят, что не такое уж большое зеркало размером 100х65 см стоило больше 8000 ливров, а картина Рафаэля того же размера – около 3000 ливров. Зеркала были чрезвычайно дороги. Покупать и коллекционировать их могли лишь очень богатые аристократы и королевские особы.
В начале ХVI века братья Андреа Доменико из Мурано разрезали вдоль ещё горячий цилиндр из стекла и половинки его раскатали на медной столешнице. Получилось листовое зеркальное полотно, отличавшееся блеском, хрустальной прозрачностью и чистотой. Такое зеркало, в отличие от осколков шара, ничего не искажало. Так произошло главное событие в истории производства зеркал.
Стекло и Франция
В конце XVI века, поддавшись моде, французская королева Мария Медичи заказала в Венеции 119 зеркал для своего зеркального кабинета, заплатив за заказ огромную сумму. Венецианские зеркальщики в ответ на королевский жест проявили также необыкновенную щедрость – подарили французской королеве Марии Медичи зеркало. Оно является самым дорогим в мире, и сейчас хранится в Лувре. Украшено зеркало агатами и ониксами, а рама инкрустирована драгоценными камнями.
Французы оказались способными учениками, и вскоре даже превзошли своих учителей. Зеркальное стекло стали получать не выдуванием, как это делали в Мурано, а литьём. Технология заключается в следующем: расплавленное стекло прямо из плавильного горшка выливают на ровную поверхность и раскатывают вальцом. Автором этого способа называют Луку Де-Негу.
Изобретение пришлось как нельзя кстати: в Версале строили Галерею зеркал. Она была длиной 73 метра, и нуждалась в зеркалах большого размера. В фирме «Сан-
Габен» изготовили 306 таких зеркал, чтобы их сиянием ошеломить тех, кому посчастливится побывать в гостях у короля в Версале. Как после этого было не признать за Людовиком XIV права именоваться «король-солнце»? После открытия французской зеркальной мануфактуры цены на зеркала стали резко снижаться. Этому способствовали также немецкие и богемские стекольные заводы, производившие зеркала по более низкой стоимости. Зеркала стали появляться на стенах частных домов, в картинных рамах. В XVIII веке уже две трети парижан обзавелись ими. Кроме того, дамы стали носить на поясе маленькие зеркальца, прикрепленные цепочками.
Революцию в производство зеркал принес немецкий химик, Юстус фон Либих, начав применять се ребро в 1835 году для серебрения зеркал и получая более ясное изображение. Эта технология, практически без изменений до сих пор используется в производстве зеркал.
Как зеркало искажает нашу внешность
Отражающие свойства современных зеркал зависят не только от вида амальгамы, но и от ровности поверхности и «чистоты» (прозрачности) стекла. Лучи света чувствительны даже к таким неровностям, которые не видны человеческому глазу.
Любые дефекты стекла, возникающие в процессе его изготовления, и структура отражающего слоя (волнистость, пористость и прочие дефекты) влияют на «правдивость» будущего зеркала.
Степень допустимого искажения отображает маркировка зеркал, она делится на 9 классов – от М0 до М8. Количество пороков зеркального покрытия зависит от метода изготовления зеркала. Наиболее точные зеркала – класса М0 и М1 производят методом Флоат. Горячую стекломассу выливают на поверхность раскаленного металла, где она равномерно распределяется и охлаждается. Такой способ отливки позволяет получить максимально тонкое и ровное стекло.
Классы М2-М4 изготавливают по менее совершенной методике – Фурко. Горячую ленту стекла вытягивают из печи, пропуская между валиками, и охлаждают. В этом случае конечный продукт имеет поверхность с утолщениями, которые являются причиной искажения отражения.
Идеальное зеркало М0 встречается редко, обычно в продаже самое «правдивое» – М1. Маркировка М4 говорит о незначительном искривлении, покупать зеркала последующих классов можно разве что для оборудования комнаты смеха.
Специалисты считают наиболее точными зеркала с серебряным покрытием, произведенные в России. У серебра более высокий коэффициент отражения, а отечественные производители не используют маркировку выше М1. А вот в изделиях китайского производства мы покупаем зеркала М4, которые не могут быть точными по определению. Нельзя забывать про свет – наиболее реалистичное отражение обеспечивает яркое равномерное освещение объекта.
Отражение как проекция
Все в детстве посещали так называемую комнату смеха или смотрели сказку про Королевство кривых зеркал, поэтому никому не нужно объяснять, как меняется отражение на выпуклой или вогнутой поверхности. Эффект кривизны присутствует и в ровных, но очень больших зеркалах (со стороной ≥1 м). Это объясняется тем, что их поверхность деформируется под собственным весом, поэтому большие зеркала делают из листов толщиной не менее 8 мм.
Но идеальное качество зеркала не является залогом его «правдивости» для отдельного индивида. Дело в том, что, даже имея безупречно ровное зеркало, которое очень точно отображает внешние объекты, человек воспримет отражение с дефектами, обусловленными его индивидуальными особенностями.
То, что мы привыкли считать своим отражением, в действительности не является им – это всего лишь зрительная проекция, которая проявляется в подкорке головного мозга, благодаря работе сложной системы восприятия человека.
На самом деле восприятие во многом зависит от функции органов зрения (глаз человека, который смотрится в зеркало) и работы мозга, трансформирующего поступающие сигналы в образ. Как иначе можно объяснить визуальную зависимость искажения отражения от формы зеркала?! Ведь всем известно, что вытянутые (прямоугольные и овальные) зеркала стройнят, а квадратные и круглые зрительно полнят. Так работает психология восприятия человеческого мозга, который анализирует поступающую информацию, привязывая ее к знакомым предметам и формам.
Зеркало и фото – что правдивее?
Известен еще один странный факт: многие люди подмечают разительные отличия между своим отражением в зеркале и собственным изображением, которое они видят на фото. Особенно это волнует представительниц прекрасного пола, желающих по старой русской традиции знать лишь одно: «я ль на свете всех прекрасней?».
Явление, когда человек не узнает себя на фотографии, довольно распространено, ведь в своем внутреннем мире он или она видят себя иначе – и во многом благодаря зеркалу. Этот парадокс послужил причиной сотен научных исследований. Если все ученые выводы перевести на простой язык, то подобные различия объясняются особенностями оптического устройства двух систем – объектива фотоаппарата и органов зрения человека.
- Принцип действия рецепторов глазного яблока совсем не такой, как у стеклянной оптики: линза фотоаппарата отличается от строения хрусталика глаза, а еще он может быть деформирован вследствие усталости глаза, возрастных изменений и пр.
- На реальность изображения влияет количество точек восприятия объекта и их расположение. В фотоаппарате только одна линза, поэтому изображение получается плоским. Органы зрения у человека и доли мозга, фиксирующие изображение, – парные, поэтому мы воспринимаем отражение в зеркале объемным (трехмерным).
- Достоверность фиксации образа зависит от освещения. Фотографы часто используют эту особенность, создавая на фото интересный образ, разительно отличающийся от реальной модели. Рассматривая себя в зеркале, люди обычно не меняют освещение так, как это делает вспышка фотоаппарата или софиты.
- Еще один немаловажный аспект – расстояние. Смотреться в зеркало люди привыкли вблизи, тогда как фотографируются чаще издалека.
- Кроме того, время, необходимое фотоаппарату для снимка ничтожно мало, в фотографии даже существует специальный термин – выдержка. Фотообъектив выхватывает долю секунды, запечатлевая порой неуловимое для глаз выражение лица.
Как видите, каждая система имеет свои особенности, влияющие на искажение изображения. Учитывая эти нюансы, можно сказать, что фото точнее фиксирует наш образ, но только на мгновение. Человеческий же мозг воспринимает изображение в более широком спектре. И дело не только в объеме, а еще и в невербальных сигналах, которые люди посылают постоянно. Поэтому с точки зрения восприятия нас окружающими людьми, отражение в зеркале более правдиво.
10 сумасшедших фактов о зеркалах
Зеркала не только помогают нам приводить себя в порядок, но также служат на благо науке
Все мы каждый день смотримся в зеркало, но зеркала предназначены не только для проверки того, как вы выглядите, или того, есть ли ещё один автомобиль позади вас, когда вы за рулём. С зеркалами можно делать совершенно безумные вещи – в том числе, например, создать и поддерживать червоточину достаточно стабильную для того, чтобы путешествовать во времени. Зеркала и фантомные конечности могут помочь нам больше узнать о мозге, а также с помощью зеркал можно измерить расстояние до Луны.
Предлагаем вам прочитать десять удивительных фактов о зеркалах:
1. Зеркала и путешествия во времени
Все мы слышали, что во времени возможно путешествовать с помощью червоточин, не так ли? Беда только в том, что червоточины крайне нестабильны – они быстро разрушаются, так что пройти через них крайне затруднительно.
Однако пара зеркал может решить проблему. Всё, что вам нужно – это два незаряженных зеркала (подойдут и металлические пластины) в вакууме, размещённые на расстоянии в несколько микрометров друг от друга. Обязательно убедитесь, что между ними нет никакого внешнего электромагнитного поля. Проявится эффект Казимира – физическая сила, возникающая благодаря квантовому полю между зеркалами.
Эта квантово-электродинамическая сила порождает массивную отрицательную область пространства-времени между зеркалами, в результате чего может появиться стабильная червоточина, через которую теоретически возможно путешествовать со скоростью быстрее скорости света. Так, согласно теории, вы могли бы совершить путешествие в прошлое, но будущее, к сожалению, остаётся недоступным, так что узнать выигрышные номера лотерейных билетов не получится. Есть и другая ложка дёгтя в бочке мёда – такие стабильные червоточины бесконечно малы, так что познакомиться со своей прапрабабушкой тоже пока затруднительно.
2. Зеркала, фантомные конечности и человеческий мозг
Эксперименты с использованием зеркал на пациентах с фантомными конечностями позволили исследователям узнать много нового о том, как работает мозг. Учёные размещают зеркала на столе вертикально, и между ними отражается целая конечность пациента – скажем, рука. Отражение неповреждённой руки накладывается на сторону фантомной конечности, так что пациенту при этом кажется, что он видит обе руки – и целую, и отсутствующую.
Звучит жутко, но когда человек видит обе руки, он чувствует, как его фантомная рука двигается, даже если он потерял её лет десять назад или больше. Когда к его целой руке прикасаются, он чувствует прикосновение и к фантомной руке. После нескольких повторений процедуры пациенты чувствовали, что их фантомная конечность исчезла. Учёные считают, что эффект обусловлен пластичностью мозга – тем, как мозг создаёт новые нейронные пути после потери конечности. Также учёные считают, что между зрением и осязанием в головном мозге существует очень тесная связь.
3. Зеркала вызывают галлюцинации
Когда вы смотритесь в зеркало, может возникнуть странная иллюзия. Попробуйте сами: сядьте в тёмной комнате напротив зеркала примерно в метре от него и смотрите на своё лицо в течение десяти минут. В комнате должно быть так темно, как только возможно, чтобы при этом вы отчётливо могли видеть своё отражение.
Сначала вы заметите, как ваше лицо в зеркале немного исказится. Постепенно отражение будет меняться быстрее, станет больше похожим на маску – возникнет ощущение, что лицо в зеркале вам не принадлежит. Некоторые люди видят лица незнакомых людей, фантастических монстров или морды животных.
Учёные считают, что такой эксперимент может помочь нам лучше понять самих себя. Некоторые психологи полагают, что метод подходит для лечения шизофрении – так пациенты сталкиваются со своими другими «я».
4. Все ли узнают себя в зеркале?
Узнавать себя в зеркале – совершенно естественно: по крайней мере, именно так скажет большинство людей, однако пройти тест на самоопознание в зеркале способен не каждый. Учёные ставят на лицо или тело испытуемого метки, чтобы определить, узнаёт ли человек в зеркале себя – если да, то он, скорее всего, попытается стереть отметину. Дети, например, начинают узнавать себя в зеркале только в возрасте 24-х месяцев.
Однако когда исследователи протестировали детей из таких стран, как Кения или Фиджи, то были сильно удивлены – шестилетние дети этот тест пройти не смогли. Но это не признак того, что они не имеют возможности психологически отделять себя от других людей. Скорее всего, проблема в культурных различиях: дети, как правило, замирали перед собственным отражением – это доказывает, что они понимали, что видят именно себя, а не кого-то другого.
5. Животные, которые узнают себя в зеркале
Итак, многие люди зеркальный тест на самоопознание не проходят. То же касается и большинства животных – но не всех. Может ли это означать, что некоторые животные способны опознавать собственное отражение? Учёные полагают, что да.
Например, слоны, находясь перед зеркалом, стирать отметину на своей голове не стали, зато выказали очевидные признаки самоопознания – выполнили ряд повторяющихся движений. Возможно, некоторых животных просто не волнует наличие посторонних отметин на их теле, следовательно, они на них не реагируют.
Гориллы тест с отметинами тоже проходят не так, как люди. Тем не менее, горилл легко смутить: зрительный контакт в обществе горилл чрезвычайно важен, так что после того, как они рассмотрели себя в зеркале, они, как правило, старались
уединиться и уже тогда стереть отметины, которые ранее видели в зеркале. Так что в настоящее время считается, что гориллы способны опознать себя в зеркале.
Возможно, дело в том, что тест с отметинами не эффективен для большинства видов животных, так что многие виды, пожалуй, обладают куда более развитым самосознанием, чем мы думаем. Зеркальный тест также способны пройти шимпанзе, орангутанги, бонобо, дельфины, касатки и европейские сороки.
6. Зеркала на Луне
Расстояние от нас до Луны составляет примерно 384 403 км, и мы смогли узнать его благодаря зеркалам. Расстояние от Луны до Земли постоянно изменяется из-за того, что Луна вращается вокруг нашей планеты по эллиптической орбите. Расстояние от ближайшей точки орбиты Луны до Земли, известной как перигей, – всего в 363 104 км, а в апогее, самой дальней точке, это расстояние равно 406 696 км.
Астронавты программы «Аполлон» установили на Луне уголковый отражатель, который и использовался для вычисления расстояния от Земли до Луны. Уголковые отражатели – это зеркала особого типа, отражающие лазерный луч обратно в том направлении, откуда он пришёл. Эти лазерные лучи направляются на Луну с помощью огромных телескопов на Земле, и их отражённый свет позволяет ученым вычислить расстояние до Луны с точностью до трёх сантиметров.
Уголковые отражатели также увеличили наши знания о Луне. Например, они предоставили информацию о лунной орбите, и теперь нам известно, что спутник каждый год отдаляется от Земли примерно на 3,8 см. Эти данные даже были использованы для проверки теории относительности Эйнштейна.
7. Зеркала могут отражать звук
Зеркала, отражающие звуковые волны, известны как акустические зеркала. Они применялись в Великобритании во время Второй Мировой войны для обнаружения определённых звуковых волн, поступающих от вражеской авиации. Это было ещё до появления радара.
Такие зеркала строились по всему побережью Великобритании, самые знаменитые из них до сих пор стоят в Денге, графство Кент. Просто так подойти к ним нельзя, доступ ограничен – увидеть зеркала можно только на специальной экскурсии.
Единственное в мире акустическое зеркало за пределами Великобритании расположено в Мактабе, Мальта. Это одно из самых больших подобных зеркал в мире – его диаметр около 61-го метра. На местном наречии зеркало также называют «Il widna», что в переводе означает «ухо». Местонахождение «Уха» не является секретом, но свободный доступ к нему закрыт.
8. Зеркала отражают материю
Удивительно, но существуют зеркала, которые могут отражать материю – в физике они известны как атомные зеркала. Атомное зеркало отражает атомы вещества так же, как обычное зеркало отражает свет. Чтобы отразить нейтральные атомы, используются электромагнитные поля, хотя в некоторых зеркалах используется обыкновенная кремниевая вода.
Отражение от атомного зеркала – это по существу квантовое отражение волн де Бройля. Оно работает для отражения нейтральных атомов, которые движутся медленно: такие атомы в основном отталкиваются от поверхности зеркала. Свойство может быть использовано для улавливания медленных атомов или фокусировки
атомного пучка. Лучше работают ребристые атомные зеркала благодаря большей длине волн вещества по сравнению с минутными фотонами света.
9. Правдивые зеркала
То, что зеркало показывает ваше лицо «перевёрнутым», – это миф: ваше отражение не перевёрнуто, то, что вы видите – это левая сторона вашего лица слева от зеркала и правая сторона справа; поэтому и создаётся иллюзия, что ваше отражение перевёрнуто.
Тем не менее, существует так называемое нереверсивное, или правдивое зеркало – оно позволяет человеку видеть себя в зеркале точно так, как его видят другие люди. В первую очередь такие зеркала используются для нанесения макияжа.
Правдивое зеркало легко создать в домашних условиях: просто поставьте два обычных зеркала перпендикулярно друг к другу и посмотрите на своё отражение от объединения: правдивое зеркало даст вам 3D-отражение, которое двигается точно так же, как вы, а не плоское, как в обычном зеркале.
10. Зеркала разделяют лучи света
Зеркала могут не только отражать свет, звук и материю – они также могут разделять лучи света. Зеркала используются во многих светоделителях и большинстве научных приспособлений, в том числе в телескопах. Стандартный светоделитель представляет собой куб, сделанный из двух стеклянных призм на одной основе. Когда лучи света попадают на светоделитель, половина из них продолжает двигаться по прежней траектории, а другая половина отражается под углом 90°.
Выводы
Отражение происходит из-за того, что зеркало и водная гладь очень ровные и почти не поглощают свет. На самом деле абсолютно все, что мы видим, – это отраженный от предметов свет. Когда мы видим наше отражение, мы видим свет, который сначала отразился от нашего тела, потом от зеркала и после этого попал к нам в глаза. Точно так же, когда мы видим перед собой футбольный мяч, мы видим всего лишь свет, который от него отразился. Причем чаще всего от предметов отражается не весь свет, а его часть. Когда свет от солнца падает на наш футбольный мяч, в нем содержатся лучи света всех возможных цветов, но во время отражения часть солнечных лучей может поглотиться поверхностью мяча. Так, если мяч желтый, это значит, что желтые лучи от него отразились, а все остальные – нет. Черный цвет мы видим, когда поглощаются все лучи, а белый, когда все лучи отражаются. От зеркала и от водной глади тоже отражаются почти все лучи солнца.
Но этого недостаточно. Когда лучи света падают на какую-то поверхность, все они идут стройными параллельными рядами. Но если поверхность неровная, то лучи света будут отражаться от нее в разные стороны в зависимости от той неровности, на которую они упали. Причем эти неровности могут быть очень маленькими, и этого будет достаточно, чтобы мы не увидели отражения. Снег, например, отражает все лучи, которые на него падают, но отражения мы в нем не увидим, потому что отраженные от него лучи рассеиваются в разные стороны. В отличие от снега, гладь воды, зеркало или любая другая отполированная поверхность очень ровные, поэтому от них свет отражается точно так же, как падает, и мы видим свое отражение.