Zobaczyć niewidzialne

Doświadczenie 1

Weź dwie pary okularów wykorzystywanych w kinach wyświetlających filmy 3D. Jedną załóż. Zamknij oko. Drugą parę trzymaj w wyciągniętej ręce, zewnętrzną stroną okularów do siebie. Spójrz przez nią na źródło naturalnego światła (np. okno). Powoli obracaj okulary zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Wyjaśnienie: Gdy patrzysz jednym okiem, jedna z „soczewek” w obracanej parze okularów jest przezroczysta lub ciemna w zależności od jej ustawienia. Dzięki równolegle ułożonym cząsteczkom związków chemicznych „soczewki” okularów przepuszczają tylko światło o określonej polaryzacji, drgające w określonej płaszczyźnie. Są zatem filtrami polaryzacyjnymi. Można to porównać do próby przeciągnięcia linijki przez szczelinę – uda się to tylko przy konkretnym położeniu obu elementów.

W technologii kina 3D dwa obrazy wyświetlane są na ekranie jednocześnie, różnią się jednak polaryzacją użytego do wyświetlania światła. Filtry wygaszają obrazy tak, by tylko jeden trafił do jednego oka. Podobne filtry znajdują zastosowanie w niektórych typach okularów przeciwsłonecznych czy goglach narciarskich oraz obiektywach fotograficznych – redukują odbicia i rozproszenia światła, przyciemniają obraz i poprawiają kontrast.

Doświadczenie 2

Weź jedną parę okularów z doświadczenia 1. i usiądź przed monitorem LCD. Obracaj okulary w jednej płaszczyźnie, patrząc na monitor.

Wyjaśnienie: Monitor LCD emituje światło spolaryzowane. Ma on aż dwa filtry polaryzacyjne. Światło, przechodząc przez pierwszy z nich, zostaje spolaryzowane w jednym, konkretnym kierunku, a następnie pada na matrycę zawierającą ciekłe kryształy, które – w zależności od przyłożonego napięcia – mogą skręcić płaszczyznę jego polaryzacji, gdy będzie przechodziło przez konkretny piksel, ale nie muszą. Teraz światło pada na drugi filtr, ustawiony tak, aby wygaszać światło przepuszczane przez pierwszy filtr. Zatem jedynie światło o polaryzacji zmienionej przez ciekłe kryształy jest w stanie przebić się przez drugi filtr. Pozwala to na selektywne włączanie i wyłączanie określonych pikseli. Przejście przez drugi filtr oznacza zarazem, że światło monitora jest spolaryzowane w określonej płaszczyźnie i za pomocą „soczewki” okularów możemy je wygasić.

Doświadczenie 3

Diody emitujące podczerwień (ok. 930–950 nm) znajdziesz np. w pilocie do telewizora. Nakieruj na świecącą się diodę pilota obiektyw aparatu fotograficznego zamontowanego w smartfonie. Co widzisz na ekranie?

Wyjaśnienie: Możemy zaobserwować migotanie jasnego światła. Detektor aparatu wykrywa fale świetlne do długości ok. 1125 nm (oko ludzkie jest wrażliwe na fale do długości 700 nm). Wynika to z własności zastosowanego krzemu, który może absorbować promieniowanie właśnie o takiej długości. Pochłonięta energia wybija elektrony, które indukują mierzalny przepływ prądu przez półprzewodnik. Zmianę w przepływie prądu urządzenie odczytuje jako oświetlenie określonego obszaru i odpowiednio zmienia przepływ prądu w korespondującym obszarze wyświetlacza ciekłokrystalicznego. Wyświetlacz ten zawiera jednak piksele emitujące światło widzialne (czerwone, zielone lub niebieskie), stąd aktywacja sensora przez niewidzialne promieniowanie jest „tłumaczona” na pseudokolor wyświetlany na ekranie aparatu.

Doświadczenie 4

Połóż w ciemnościach blisko świecącej diody pilota jakiś obiekt z metalu. Dobrze się tu sprawdza moneta pięciozłotowa. Ustaw obiektyw aparatu telefonu komórkowego bardzo blisko (kilka centymetrów) oświetlonego obszaru.

Wyjaśnienie: Promieniowanie podczerwone, choć niewidzialne, zachowuje się jak zwykłe światło. Może odbijać się w lustrze albo od różnych przedmiotów. Pozwala to np. na obserwację zwierząt nocnych bez zakłócania ich spokoju. Pojedyncza dioda pilota jest w stanie oświetlić bardzo blisko położone obiekty. Dlatego na ekranie smartfona widać zarysy obiektu i refleksy światła, pozwalające nawet na odczytanie nominału monety. Typowy aparat ma zamontowany filtr, który obniża natężenie promieniowania podczerwonego docierającego do sensora. Profesjonalne fotopułapki go nie zawierają, dlatego nawet kilka diod wystarczy do oświetlenia obserwowanych obiektów.

dr hab. Renata Szymańska
Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki AGH

mgr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin UJ

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

okulary 3D, moneta 5-złotowa

Niewliczone w cenę: komputer, smartfon, pilot od telewizora

Czas wykonania: 0,5 h

Koszt: 15 zł

***

Wiedza w pigułce

Ogarniamy złożoność świata tylko w takim zakresie, w jakim pozwalają na to nasze zmysły. Tymczasem niektóre zwierzęta mogą zobaczyć znacznie więcej niż my, co zwiększa ich szanse na przetrwanie. Na przykład pustułki dzięki dostrzeganiu odbijającego UV moczu gryzoni skuteczniej znajdują te zwierzęta. Z kolei dla zapylaczy odbijające lub pochłaniające UV elementy kwiatu to cenny drogowskaz. Niestety w naszym przypadku ultrafiolet może uszkadzać wzrok. I mimo że ludzkie receptory siatkówki są wrażliwe na to promieniowanie, to z ewolucyjnego punktu widzenia korzystniej jest chronić siatkówkę dzięki pochłaniającej UV soczewce. Jej chirurgiczne usunięcie (np. u pacjentów z kataraktą) czasami pozwala zaobserwować wrażliwość na to krótkofalowe światło.

Niewidzialne dla nas promieniowanie podczerwone mogą wyczuwać węże (np. grzechotniki), które dzięki temu polują na stałocieplne ssaki nawet w całkowitych ciemnościach. Termopercepcja chrząszczy Merimna atrata pozwala im odnajdywać ogień w lesie, aby larwy mogły żerować na spalonym drewnie. Naukowcy podpatrują ten fenomenalny narząd zmysłu i już teraz kamery termowizyjne pozwalają zaoszczędzić nam na ogrzewaniu dzięki wychwytywaniu nieszczelności budynku, a lekarzom ułatwiają lokalizowanie stanów zapalnych. Podczerwień stosujemy do bezprzewodowej komunikacji, a nawet jako źródło światła w urządzeniach wyposażonych w odpowiednie detektory. Pozwala to na obserwowanie zwierząt nocnych w ich naturalnym środowisku (tzw. fotopułapki), a także pomaga w wypełnianiu zadań przez szpiegów czy wojskowych.

Światło ma jeszcze jedną własność, której nie dostrzegamy – określa ona, jak płaszczyzna drgań fali świetlnej ma się do kierunku jej rozchodzenia. Światło niespolaryzowane jest w istocie mieszaniną fal o różnych płaszczyznach polaryzacji. Zasadniczo takie światło otacza nas przez większość czasu. Jednak światło odbite od różnych obiektów (tafla wody, chmury) lub rozproszone na nich jest już bardziej uporządkowane, choć nadal nie można go nazwać spolaryzowanym (czyli takim, którego fale drgają tylko w jednej płaszczyźnie). Spolaryzowane światło można uzyskać, przepuszczając światło niespolaryzowane przez polaryzator, filtr, przez który przechodzi tylko światło o określonej polaryzacji.

Polaryzacja, dla nas nieistotna, ma znaczenie dla pszczół, które dzięki temu zjawisku mogą dostrzec wzory powstające na zachmurzonym niebie i określić położenie słońca. Słońce zaś jest drogowskazem i podstawą ich systemu komunikacji, tańców, pozwalających przekazywać informacje o położeniu źródeł pokarmu. Światło spolaryzowane rozróżniają też ustonogi – te podobne do krewetek morskie stworzenia agresywnie bronią swych nor. Przebłyski odbitego, spolaryzowanego światła ostrzegają, że nora ma już właściciela.