De ce are Rudolf nasul roșu? Sunt zeci de speculații, însă numai adevărul e unul singur

Practic este imposibil în această perioadă a anului să evitați auzirea melodiei „Rudolph the Red-Nosed Reindeer”, povestea emoționantă a unui erbivor arctic al cărui nas emite lumină roșie. Acest lucru poate suna vag oribil, dar cântecul are un final fericit.

De ce are Rudolf nasul roșu – speculația certă

”Apoi, o seară de Crăciun,

Moșul a venit să spună:

„Rudolph cu nasul atât de luminos,

nu-mi vei ghida sania în seara asta? „

Acum, această poveste ridică tot felul de întrebări. Există, totuși, un unghi bun de fizică față de acesta, și anume de ce este nasul lui înroșit în mod specific? Există un anumit avantaj în a avea un nas roșu, mai degrabă decât, să zicem, albastru sau verde în scenariul specific descris aici?

Un anumit pic de magie fizică de Crăciun

Acum, probabil, te gândești „Idiot, este doar o melodie. E ‘roșu’ pentru că asta scanează mai bine.” Dar, de fapt, există un motiv bun de fizică solidă pentru a crede că un nas roșu ar putea fi o alegere mai bună pentru a conduce drumul printr-o seară de Crăciun. Este, de asemenea, conectat la fizica cerului albastru și a apusurilor de soare colorate și la înțelegerea noastră a tuturor urmărind un anumit pic de magie fizică de Crăciun cunoscut sub numele de „analiză dimensională”.

Ceața este, după cum știți, fără îndoială, o vastă colecție de picături mici de apă suspendate în aer. Picăturile individuale sunt practic invizibile, dar colectiv, au un efect mare asupra transmiterii luminii prin aer, ceea ce face dificil de văzut foarte departe. Nu numai că ceața atenuează lumina care ne vine din surse îndepărtate (cum ar fi luminile autobuzului școlar ), dar adaugă o grămadă de zgomot la ceea ce vedem împrăștind lumina din surse din apropiere. Acesta este motivul pentru care ceața este un fenomen vizibil, deși unul destul de greu de fotografiat eficient.

Explicația fizică

Una dintre primele explicații bune ale fizicii implicate în acest lucru provine dintr-o lucrare din 1871 a fizicianului britanic John William Strutt, mai cunoscut de istorie ca Lord Rayleigh. În „Pe lumina de pe cer, polarizarea și culoarea sa” Rayleigh oferă un argument despre motivul pentru care cerul apare albastru, urmărindu-l spre împrăștierea luminii de către particule microscopice în atmosferă. Rayleigh arată printr-un argument simplu și puternic că astfel de particule sunt mult mai susceptibile să împrăștie lumina albastră decât lumina roșie. Argumentul este atât de simplu, de fapt, încât nu necesită deloc cunoștințe despre particulele în sine sau despre detaliile interacțiunii lor cu lumina – tot ce trebuie să știți este că sunt foarte mici.

Argumentul lui Rayleigh rulează practic așa: știind că lumina este o undă electromagnetică, ne putem gândi la lumina împrăștiată de o singură particulă mică în termeni de un fascicul de lumină de intrare și un câmp de lumină împrăștiat. Ceea ce ne interesează cu adevărat este intensitatea luminii împrăștiate la o anumită distanță de particulă și, în mod convenabil, există doar o mână de parametri fizici care pot afecta acest lucru: intensitatea luminii de intrare, dimensiunea particulei, compoziția a particulei (pe care o putem descrie prin indicele de refracție), lungimea de undă a luminii și distanța de la particulă la locul unde măsurăm câmpul de ieșire.

Cu cât este mai strălucitoare lumina, cu atât mai lumină poate ieși

Acum, este destul de evident că intensitatea de ieșire trebuie să fie proporțională cu intensitatea de intrare – cu cât este mai strălucitoare lumina, cu atât mai lumină poate ieși – așa că este ușor contabil. Și Rayleigh a subliniat că pentru o particulă mai mică decât lungimea de undă a luminii, fiecare bucată a particulei experimentează exact același câmp electromagnetic de intrare și ar trebui să producă același câmp de ieșire ca răspuns. Toate acele valuri de ieșire se vor adăuga lin, astfel încât câmpul împrăștiat ar trebui să fie proporțional cu volumul particulei – cu cât este mai mare, cu atât mai multe lucruri sunt împrăștiate și cu atât câmpul va ieși mai puternic. Intensitatea luminii este pătratul câmpului, deci intensitatea împrăștiată ar trebui să depindă de pătratul volumului.

Aceasta are grijă de doi dintre cei cinci parametri care ar putea conta pentru calculul de împrăștiere – rezistența câmpului incident și mărimea particulei. Știm, de asemenea, din principiile de bază ale fizicii că intensitatea de ieșire trebuie să scadă odată cu distanța conform unei legi pătrate invers. Acesta este practic un argument de conservare a energiei: energia totală în lumina de ieșire la o anumită distanță de particule este doar intensitatea la distanța respectivă înmulțită de aria unei sfere a acelei raze centrată pe particule. Dacă măriți distanța, zona crește ca pătratul razei, dar energia totală nu se poate schimba, ceea ce înseamnă că intensitatea trebuie să scadă cu același factor.

Rayleigh – despre cei cinci parametri

Aceștia sunt trei dintre cei cinci parametri posibili, care ar putea părea fără speranță. Dar Rayleigh a subliniat că cei doi parametri rămași sunt măsurați în unități foarte diferite. Lungimea de undă a luminii are unități de lungime (evident), dar compoziția particulei nu poate depinde de dimensiunea acesteia, astfel încât indicele de refracție pe care-l folosim pentru a-l descrie nu poate implica unități de lungime. Ceea ce înseamnă că putem privi ceea ce știm și să folosim asta pentru a descoperi cum depinde lumina împrăștiată de lungimea de undă.

Deci, știm că raportul dintre intensitatea de ieșire și intensitatea de intrare nu poate avea nicio unitate (pentru că este doar o fracțiune) și, de asemenea, cele două lucruri pe care le-am determinat mai sus:

1.  Trebuie să depindă de pătratul volumului ( măsurat în metri cubi pătrați, care este de metri la puterea a șasea) și
2.  Trebuie să coboare ca pătratul distanței (metri pătrați). Deci, unitățile din raportul înainte de a contabiliza lungimea de undă arată ca (metri) 6 / (metri) 2 (ceva de-a face cu lungimea de undă) = (metri) 4 (ceva de-a face cu lungimea de undă). Avem nevoie de toate unitățile pentru a anula, astfel încât „(ceva de a face cu lungimea de undă)” trebuie să fie „1 / (lungime de undă) 4”.După argumentul lui Rayleigh, atunci intensitatea luminii împrăștiate trebuie să depindă de o putere peste a patra putere a lungimii de undă.

Argumentul lui Rayleigh capătă dependența corectă a lungimii de undă

Nu știm cum depinde acest lucru de compoziția particulelor (este un pic complicat, după cum se dovedește), dar frumusețea este că nu trebuie. Argumentul lui Rayleigh capătă dependența corectă a lungimii de undă, ceea ce ne interesează cu adevărat aici și o face într-un mod atât de simplu și puternic, încât pare aproape magic.

Acest tip de analiză dimensională este un instrument puternic pentru a te gândi la fizică, iar împrăștierea Rayleigh este unul dintre cele mai bune exemple de utilizare a acestuia.

Ce are de-a face cu renii cu nas cu neon?

Ei bine, lumina roșie se află la capătul lungimii de undă a spectrului vizibil, cu o lungime de undă de aproximativ 600 nanometri. Dependența inversă de a patra putere a împrăștierii Rayleigh înseamnă că ne așteptăm ca particule mici să se împrăștie un pic de mai mult de cinci ori mai multă lumină albastră decât roșu; aceasta, la rândul său, înseamnă că lumina roșie ar trebui să călătorească de cinci ori mai mult decât lumina albastră (lungimea de undă de aproximativ 400 nanometri) prin aer cu particule mici în suspensie.

Acum, Rayleigh și-a scris lucrarea cu mulți ani înainte ca Rudolph the Red-Nosed Reindeer să fie inventat ca un truc de marketing pentru Macy, așa că nu se gândea la asta din punct de vedere fizic. Mai degrabă, se gândea la culoarea cerului – culoarea albastră pe care o vedem când privim o zi drăguță este doar lumina soarelui împrăștiată din particule minuscule suspendate în atmosferă, care împrăștie mult mai multă lumină albastră decât roșul. Acesta este și motivul pentru care soarele apune roșu la noi – la apusul soarelui, lumina de la soare trece prin mult mai multă atmosferă și tot aerul în plus împrăștie lumina albastră în părți. Apusurile de soare arată roșu, deoarece lungimile de undă mai scurte de la soare au fost folosite pentru a face cerul albastru pentru oamenii din vestul nostru.

Nasul roșu strălucitor a lui Rudolf ghidează sania Moșului în noaptea de Crăciun

Dar scriem aici o postare stupidă de Crăciun, așa că putem folosi același raționament de bază pentru a ne gândi la cel mai bun mod de a ghida sania lui Moș Crăciun. Iar argumentul lui Lord Rayleigh din 1871 sugerează că, având în vedere o turmă de reni zburători ale cărot nasuri emit diferite culori de lumină, cel mai bun pariu pentru conducerea drumului printr-o noapte de Crăciun cețos la viteză ludică ar fi cel al cărui nas strălucitor roșu.

Astfel, Rudolph the Red-Nosed Reindeer intră în istorie, în timp ce Ernest the Blue-Nosed Renne lenevează în obscuritate.