Отдельная грибная спора настолько мала, что увидеть её невооружённым глазом обычно невозможно. Но когда в воздух одновременно попадают миллионы частиц, они начинают взаимодействовать со светом как единое облако — и иногда создают очень эффектные оптические явления.
Именно такой момент удалось сфотографировать на Борнео: поток спор рядом с грибом оказался подсвечен так, что в облаке появились разноцветные участки.
Споры не обязаны быть разноцветными
Первое впечатление от фотографии может быть обманчивым. Кажется, будто гриб выпускает синие, зелёные и красные споры.
На самом деле цвет изображения может возникать не из-за пигментов, а благодаря тому, как белый свет взаимодействует с микроскопическими частицами и средой между ними.
Белый свет состоит из электромагнитных волн разных длин. Наш глаз воспринимает их как различные цвета видимого спектра.
То, что кажется нам белым, на самом деле представляет собой смесь множества длин волн — от фиолетовой области спектра до красной.
Что происходит, когда луч меняет среду
Свет распространяется с разной скоростью в разных веществах. Поэтому при переходе, например, из воздуха в воду или стекло направление луча может измениться.
Это явление называется преломлением.
Оно хорошо заметно в повседневной жизни: предмет, частично погружённый в воду, может казаться переломанным или смещённым.
Закон Снеллиуса — простое правило для луча
Направление преломлённого света описывается законом Снеллиуса. Он связывает угол падения, угол преломления и показатели преломления двух сред.
Чем сильнее различаются оптические свойства сред, тем заметнее может изменяться направление луча.
Для понимания грибных спор сама формула не так важна, как общий принцип: свет чувствителен к границам между материалами, а микроскопическая частица создаёт множество таких границ.
Почему разные цвета отклоняются неодинаково
Показатель преломления вещества обычно немного зависит от длины световой волны.
Поэтому фиолетовый, зелёный и красный свет могут изменять направление немного по-разному. Это явление называется дисперсией.
Самый известный пример — призма. Белый луч входит в прозрачный материал, а на выходе разделяется на цветной спектр.
Можно ли представить каждую спору маленькой призмой?
Такое сравнение удобно для первого объяснения, но реальное облако спор значительно сложнее.
Спора имеет небольшие размеры, неправильную форму и может обладать сложной поверхностью. В облаке одновременно находятся тысячи и миллионы частиц, расположенных под разными углами относительно источника света.
Поэтому свет здесь не просто один раз преломляется, как в большой стеклянной призме. Он может рассеиваться, отражаться и взаимодействовать с частицами множеством путей.
Когда размер частицы становится сравним с длиной волны
Видимый свет имеет длины волн порядка нескольких сотен нанометров, тогда как размеры грибных спор часто составляют несколько микрометров или десятки микрометров.
На таком масштабе уже становятся существенными волновые свойства света.
Поэтому кроме обычного преломления и дисперсии в формировании картины могут участвовать дифракция и сложное рассеяние на микрочастицах.
Радужную картину облака спор не стоит автоматически объяснять только одним механизмом. В реальной системе одновременно могут проявляться преломление, дисперсия, дифракция и рассеяние света.
Что такое дифракция
В геометрической оптике мы привыкли представлять свет как прямые лучи.
Но свет имеет волновую природу. Если волна встречает объект или отверстие, размеры которых сопоставимы с её длиной, она способна огибать препятствие и изменять распределение интенсивности.
Возникающие волны могут складываться друг с другом, усиливая или ослабляя свет в разных направлениях.
Если эффект зависит от длины волны, различные цвета также могут распределяться неодинаково.
Почему положение света так важно
Подобные оптические эффекты сильно зависят от геометрии наблюдения.
Необходимо удачное взаимное положение источника света, облака спор и камеры.
При другом угле те же самые споры могут выглядеть просто как беловатый или серый туман, а могут вообще почти не быть заметны.
Поэтому фотография фиксирует не только биологическое событие — выброс спор, — но и очень удачную оптическую конфигурацию.
Как увидеть то, что обычно невидимо
Отдельные споры невозможно различить на такой фотографии, зато свет делает видимым движение всего облака.
Это напоминает солнечный луч в запылённой комнате. Мы не замечаем большую часть мельчайших частиц отдельно, но при боковом освещении становится заметным весь объём воздуха, через который проходит свет.
В случае грибов таким образом можно увидеть сам процесс распространения спор — то, что обычно происходит вокруг нас практически незаметно.
Физика помогает увидеть биологию
История «магических спор» интересна именно тем, что здесь невозможно провести чёткую границу между биологией и физикой.
Гриб создаёт микроскопические репродуктивные частицы. Движение воздуха формирует облако. А свет превращает невидимую взвесь в яркую оптическую картину.
Даже если точный вклад каждого механизма в конкретную фотографию определить сложно, само явление хорошо показывает, насколько необычным может становиться привычный процесс, если посмотреть на него при правильном освещении.
Материал Spora Info подготовлен на основе «Картинки дня» на «Элементах» о радужном облаке грибных спор и общих физических принципов взаимодействия света с прозрачными средами и микроскопическими частицами.
- «Элементы». «Магические споры» . Исходный научно-популярный материал.
- Eugene Hecht. Optics . Классический учебник по геометрической и волновой оптике.
- C. F. Bohren, D. R. Huffman. Absorption and Scattering of Light by Small Particles . Wiley.
- Close-up Photographer of the Year. Международный конкурс макрофотографии , в рамках которого была отмечена исходная фотография облака спор.
Фотография облака спор и схемы оптических явлений происходят из исходной публикации «Элементов» и указанных в ней материалов.