Полное внутреннее отражение, или Что такое оптический кабель
Для опыта нам потребуется: кусок стекла, лазерная указка или маленький фонарик.
В современных компьютерных системах устройства между собой «общаются» по оптическим кабелям. Световые сигналы летят по гибкому шнуру, неся информацию из одной точки в другую. При этом, как ни изгибай кабель, свет не «выскакивает» из шнура, а следует по любой извилистой траектории.
Как этого добиваются?
Мы знаем, что лучи поворачивают в сторону, если падают под углом на поверхность стекла (или другого прозрачного вещества). Причем этот угол зависит от разницы скорости движения света между тем веществом, откуда прилетел луч, и тем, в которое он входит.
Давайте рассмотрим картинку.
Как понять сложные законы физики.
Луч, обозначенный цифрой 1, идет внутри стекла ровно перпендикулярно к поверхности. Он проходит, не изменяя направления. Луч 2 – немножко под углом. Он отклоняется немного в сторону. Луч 3 отклоняется еще сильнее… Так, если угол изменяется, то постепенно выходящий луч все ближе подходит к самой поверхности стекла. Наступает такой момент, что луч достигает критического угла и его продолжение, выходящее из стекла, уже практически «скользит» по поверхности. На нашем рисунке это черный луч 5.
Все! Все остальные лучи, идущие под еще большими углами, будут отражаться от внутренней поверхности стекла и уходить «внутрь»!
Посмотрим, что будет, если луч света войдет в тонкую стеклянную трубку или лист стекла «с торца».
Как понять сложные законы физики.
Луч немножко изменит свой угол и пройдет через стекло некоторое расстояние, после чего наткнется на внутреннюю поверхность стекла. Он отразится внутрь и побежит, пока снова не наткнется на поверхность и тоже в соответствии с законами физики отразится внутрь, только уже в другую сторону! И так будет продолжаться, пока световой луч не затухнет. Понятно, что свет немножко «гасится», ослабляет свое свечение с расстоянием. Поэтому рано или поздно, конечно, свет затухнет. Но до тех пор так и будет бежать вперед и вперед.
Те, кто разрабатывал системы связи для передачи информации, воспользовались этим физическим законом и сделали очень простую (на первый взгляд) вещь: создали кабель, состоящий из огромного количества тонких и гибких стеклянных трубочек. Самое главное (и самое сложное в производстве таких кабелей), что каждая трубочка на обоих концах кабеля находится точно в том же месте и в начале, и в конце. Поэтому изображение не искажается. Чтобы пояснить, посмотрим на следующую картинку. Предположим, что мы положили в ряд пять трубочек, причем они не «перепутываются», а идут, изгибаясь, рядом до самого конца. Длина у них одинаковая. Будем светить разным светом (красным, зеленым, желтым и т. д.) в каждую из трубочек с одной стороны, в начале.
В конце каждая трубочка засветится тем светом, которым в него посветили в начале! И мы увидим точно такую же картинку, что и передали.
Как понять сложные законы физики.
Если эти ряды трубочек положить друг на друга и создать «квадратик», то можно уже создавать целые картинки, как в телевизоре. Вот и вся хитрость. Именно так устроены современные оптические кабели, которые связывают компьютеры и другие устройства.
* * * А как увидеть это своими глазами? Для этого проделаем простой опыт. Возьмем любой кусок стекла, например оконного. И в темноте посветим узким лучом света с торца. Лучше всего для этого подходят лазерные указки, которые продаются в любом ларьке. Или даже маленький фонарик. Посмотрите на следующую фотографию.
Видно, как светится торец куска стекла, – это я свечу в него фонариком. Поверхность же стекла практически не светится. Свет не выходит наружу. На другой фотографии видно, что я свечу фонариком слева под довольно большим углом в торец стекла. Поскольку фонарик шире, чем стекло, верхняя его часть светит прямо на поверхность сверху. И луч освещает первую треть стекла. Потом идет темный кусок. Но вдруг мы видим, что слева из торца вырывается свет! Эта та часть луча, которая от фонарика вошла в торец и пробежала, отражаясь внутри от стенок, до самого выхода из стекла!
Как понять сложные законы физики.
На фото: светится торец стекла, верхняя часть существенно темнее. Свет распространяется внутри.
Как понять сложные законы физики.
На фотографии видно, как свет проходит лучом внутри стекла и вырывается наружу в дальнем торце. Подставкой служит ноутбук IBM – у него прекрасная черная поверхность, как раз для съемок.
