البصريات
(١) أقواس قُزَح
لماذا تَظهر أقواسُ قُزَح في بعض زخَّات المطر وليس كلها؟ ولماذا تكون على شكل أقواس نصف دائرية؟ هل يُمكن أن يُشكِّل قوس قزح دائرة كاملة؟ كم يَبعُد عنا قوس قزح؛ وهل يمكنك أن تذهب إلى أحد أطرافه؟ لماذا عادةً ما تظهر أقواس قزح في الصباح الباكر فقط، أو في آخر النهار؟
في العادة، ترى قوسَ قزحَ واحدًا فقط، لكنك قد تجد اثنين أحيانًا، كلاهما عبارة عن قوس شبه دائري حول نقطة مشتركة. ما هي هذه النقطة؟ ولماذا يكون تسلسل الألوان في القوسين معكوسًا؟ ولماذا تكون المنطقة بين القوسين داكنة نسبيًّا؟ ولماذا يكون القوس العلوي أعرض وأكثر خفوتًا من السُّفلي؟
لماذا عادةً ما تكون قوائم القوس أكثر سطوعًا وحمرة من قمَّته؟ ما الذي يصنع الحِزَم الرقيقة الشاحبة التي تُرى أحيانًا تحت القوس السُّفلي مباشرةً؟
لماذا تُرى الألوان في حزمتَين فقط، وليس على امتداد السماء الماطِرة؟ إذا أمكن وجود قوس قزح ثالث، فهل يكون قريبًا من القوسين الأوَّلين؟ هل يُمكن للرعد أن يُغيِّر قوس قزح؟
تنطوي أقواس قزح الأكثر حدوثًا على أشعة ضوء تَدخل إلى قطرة، وتنعكس مرة عن السطح الداخلي لها، ثم تخرج باتجاهك. يُسمى قوس قزح هذا «قوس قزح الرئيسي» أو «قوس قزح من الدرجة الأولى»؛ لأن فيه انعكاسًا واحدًا يكون فيه اللون الأحمر أعلى من الأزرق. أما «قوس قزح من الدرجة الثانية» الذي يتطلَّب انعكاسين داخليَّين، ففيه تسلسل الألوان المعاكس، بسبب انطوائه على مواقع هندسية مختلفة لمسارات الضوء. يسمح الانعكاس الإضافي بنشرٍ أبعدَ للألوان داخل كل قطرة، مما يَنتج عنه قوس أعرض وأكثر خفوتًا. كما يكون القوس خافتًا لأنَّ بعض الضوء يتبدَّد عند كل نقطةِ انعكاسٍ بينما يُغادر القطرة، تاركًا للقوس ضوءًا أقل.
إنَّ كل قطرات المطر المُتساقطة المُضاءة تكسر الضوء وتفصل الألوان، ولكن تلك القَطرات الموجودة عند زوايا معيَّنة هي وحدها التي تُرسل الأشعة الملونة باتجاهك. يجب أن يكون قوس قزح الدرجة الأولى عند الزاوية ٤٢ درجة تقريبًا من «النقطة المضادة للشمس»، وهي النقطة المُقابلة مباشرة لموقع الشمس بالنسبة لك. لإيجاد قطرات المطر، وجِّه ذراعك الممدودة نحو النقطة المضادة للشمس (عند ظل رأسك) ثم ارفع ذراعك إلى أعلى، أو في اتجاه آخر بزاوية ٤٢ درجة. ستُشير ذراعك عندئذٍ إلى الموضع الذي تُعطيك القطرات فيه قوس قزح من الدرجة الأولى. ستكون قطرات قوس قزح الدرجة الثانية عند زاوية قدرها ٥١ درجة تقريبًا من النقطة المضادة للشمس.
وبما أن القطرات يجب أن تكون عند زوايا محدَّدة بالنسبة إلى النقطة المضادة للشمس، فإن أقواس قزح تشكل أقواسًا دائرية حول تلك النقطة. من موقع عالٍ، مثل طائرة، يُمكنك أن ترى دوائر كاملة. ليس لأقواس قزح مسافة حقيقية منك؛ فكل القطرات الموجودة على الزاوية المناسبة يُمكنها الإسهام في الألوان (بصرف النظر عن بُعْدها عنك). لذلك، لا يُمكنك المشي إلى نهاية قوس قزح (لإيجاد جَرَّة من الذهب). وأيضًا، قوس قزح الذي تراه شخصي؛ فالشخص الواقف بجانِبِك يرى ألوانًا من مجموعة مختلفة من القطرات.
في العادة يكون قوس قزح مرئيًّا فقط في الصباح الباكر أو آخر النهار؛ لأن النقطة المضادة للشمس تكون مُنخفِضة كثيرًا عن الأفق في منتصف النهار. ومع ذلك، فقد تستطيع رؤية قوس قزح إذا نظرت إلى الأسفل، من نقطة عالية.
أما أقواس قزح من الدرجتَين الثالثة والرابعة (تتطلَّب ثلاثة وأربعة من الانعكاسات الداخلية، على الترتيب)، فتقع في أقواس دائرية حول الشمس (بدلًا من النقطة المضادة للشمس)، لكنها تكون باهتة للغاية، بحيث لا يُمكن رؤيتها في وهج الضوء القادم من هذا الجانب من السماء. هناك تقارير نادرة عن مُشاهَدات لأقواس قزح من الدرجة الثالثة، ولكن الألوان كانت ناتجة عن البلورات الثلجية على الأرجح. ويقع قوس قزح الدرجة الخامسة (خمسة انعكاسات داخلية) بين أقواس قزح من الدرجتين الأولى والثانية، ولكنه أكثر خفوتًا من أن يُرى، مثله مثل كل أقواس قزح الممكنة الأخرى.
تكون المنطقة التي تتوسَّط قوسين من الدرجتين الأولى والثانية، مُظلمة مقارنةً بالمناطق الموجودة أسفل القوسين وأعلاهما؛ لأن القطرات في تلك المنطقة المتوسِّطة لا تُعيد توجيه أشعة الضوء إليك، بينما القطرات في الأسفل والأعلى تفعل ذلك.
عادةً ما تكون قوائم قوس قزح أكثر سطوعًا وحمرةً من قمَّته، بسبب عوامل عدة، أحدها يتعلق بحجم القطرات وشكلها. تكون ألوان قوس قزح أكثر تمايزًا في القطرات الأكبر حجمًا؛ لأن مسار الضوء الإضافي في القطرات الأكبر يسمح للألوان بالانفصال أكبر. ومع ذلك فإن مقاومة الهواء تُسَطِّح القطرات الأكبر حجمًا بينما تسقط. يمر الضوء عند القوائم عبْر مقطع عرضي دائري أفقي من كل قطرة؛ وهذا المقطع العرضي مثالي لإنتاج ألوانٍ ساطعة مُتمايزة. في قمة قوس قزح، يمر الضوء عبْر مقطع عرضي غير دائري، مما يَنتج عنه ألوان أكثر خفوتًا وأقل تمايزًا.
وقد تكون القوائم أكثر سطوعًا أيضًا؛ لأن القطرات فيها مضاءة إضاءةً أفضل بضوء الشمس الملتف تحت السُّحب المعلَّقة. وتكون القوائم أكثر حمرة إذا فقَدَ ذلك الضوء كل ألوان الطيف، ما عدا طرفه الأحمر، بينما ينتقل مسافة طويلة عبْر الهواء ليصل إلى القطرات.
إن الحِزَم الخافتة التي يُمكن رؤيتها أسفل قوس قزح الدرجة الأولى مباشرة، وفوق قوس قزح الدرجة الثانية مباشرة (في حالات أكثر ندرة)، تُسمى «الزوائد». تكشف الزوائد عن أن ألوان قوس قزح لا تُنتجها قطرات تعمل عمل منشورات بسيطة. بل إن قوس قزح هو في الواقع «نمط متداخل» تُنتجه موجات الضوء المارة عبْر كل قطرة، ثم يحدث التداخل. إن الألوان التي تراها عادةً هي الأجزاء الأكثر سطوعًا من النمط المتداخل. على سبيل المثال، ينتج الأحمر الساطع حيثما تكون موجات اللون الأحمر المتداخِلة مُترافِقة بعضها مع بعض؛ ومِن ثَم يُعزِّز بعضها بعضًا.
إذا كان للقطرات الحجم نفسه تقريبًا، فربما ترى الزوائد الباهتة. وعندما تكون القطرات متفاوتة الأحجام، تتداخَل الزوائد بقدرٍ أكبر، لا يُمكن معه تمييزها، ولا ترى إلا إضاءة بيضاء باهتة في العموم.
وعلى الرغم من أن نماذج أقواس قزح البسيطة تعمل بنجاح مع القطرات الأكبر من ٠٫١ مليمتر، فإن نماذج أكثر تعقيدًا تلزم للقَطرات الأصغر حجمًا، وما زالت قيد البحث.
يتسبب الرعد في تذبذب قطرات الماء، مما يُشوِّه الألوان أو يزيلها، وذلك بسبب تشوُّه شكل القطرات. وكذلك فإن التذبذبات الناتجة عن عصف الريح أثناء تساقط القطرات ربما تشوه الألوان، خاصة في حالة القطرات الأكبر حجمًا.
(٢) أقواس قزح غريبة
لماذا يكون بعض أقواس قزح أبيض، وبعضها أحمر؟ إلامَ ترجع ندرة الألوان وقلَّتها في أقواس قزح التي تُرى في ضوء القمر؟ ما أشكال وألوان الأقواس التي تُرى في الضباب، أو على سحابة، أو على عشب مُغطًّى بالندى؟ إذا رأيت قوس قزح على مسطَّح مائي، بينما يظهر قوس قزح آخر فوق تلك المياه، فهل الأول مجرد انعكاس للثاني؟
في حالات نادرة، يُمكن أن نرى حزمة من الألوان تبدو عمودية، مجاورةً للجزء السفلي من قوس قزح عادي. ما الذي ينتج هذه الحزمة الإضافية؟
يُنتج الضوء المرئي قوسَ قزح العادي. فهل تُنتج الأضواء تحت الحمراء وفوق البنفسجية أقواس قزح أيضًا؟
يمكن أن يظهر قوس قزح أحمر، عندما تكون الشمس مُنخفِضة. وبما أنه يتحتَّم حينئذٍ أن يقطع ضوء الشمس مسافة طويلة عبْر الغلاف الجوي، فإن الضوء المشتَّت من جزيئات الهواء على امتداد المسار يُزيل الجزء الأكبر من الطرف الأزرق في الطيف المرئي، وتصبح القطرات مضاءة بصورة رئيسة بالضوء الأحمر.
في الليل، يُمكن أن تظهر أقواس قزح في ضوءٍ من القمر، ولكنَّها تَفتقِر إلى الألوان؛ لأنَّ عينيك ترصدان الألوان بقدْر ضئيل في الظلام. تَندر ملاحظة أقواس قزح المضاءة بضوء القمر، بسبب خفوتها، ولأنَّ الناس لا يتحرون أقواس قزح في الليل.
يُمكن أن تُرى أقواس قزح في الضباب، أو على جانبَي سحابة، أو على عشب مغطًّى بالندى، ولكن يصعب تعيينها؛ لأن القطرات غالبًا ما تكون أصغر كثيرًا من أن تعطي ألوانًا مُتمايزة، وقد تضيع الأقواس في الوهج العام. إنها حِزَم بيضاء على شكل قطوع زائدة أو ناقص، بسبب منظور رؤيتك لها على سطح أفقي. يُمكنك أيضًا أن ترى قوسًا على مسطَّح مائي إذا كان سطح البِركة مغطًّى جزئيًّا بقطرات طافية.
إذا تشكَّل قوس قزح عادي فوق مسطَّح مائي، فقد ترى في الماء «قوس قزح انعكاسيًّا». ومع ذلك فهذا القوس الانعكاسي ليس انعكاسًا لقوس قزح الذي تراه فوق الماء؛ لأن مجموعة مُختلفة من قطرات المطر هي المسئولة عن تكوينِه. فلتكوين قوس قزح انعكاسي، يجب أن تدخل أشعة الضوء إلى قطرات المطر، وتَنعكِس مرةً (أو مرتَين) داخلها وتُغادِرها، ثم تنعكس عن سطح الماء إليك. تقع القطرات التي تفعل كل هذا على زوايا نظر مختلفة عن القطرات التي تعطيك قوس قزح عادي. ونتيجةً لذلك، لا يتداخَل قوس قزح الانعكاسي مع قوس قزح العادي.
يُمكن أيضًا لكلٍّ من الضوءين، فوق البنفسجي وتحت الأحمر، تكوينُ حِزَم من قوس قزح. وعلى الرغم من أن هذه الحزم لا تَظهر لأعيننا وليس لها لون بالمعنى الدارج، فإنه يُمكن رصدها باستخدام معدات خاصة.
(٣) أقواس قزح اصطناعية
في بعض المواقع يُمكن أن نرى في الشارع شيئًا شبيهًا بقوس قزح، حتى حينما يكون الشارع جافًّا. ثمَّة تقارير نادِرة عن أقواس قزح شُوهدت في الوحل وفي أماكن أخرى غير متوقَّعة. ما الذي يصنع هذه الألوان؟
بإمكانك رؤية أقواس قزح صغيرة على قطرة واحدة من الماء تتدلَّى من مشبك ورق إذا سلَّطت شعاعًا من الضوء على القطرة في غرفة مظلمة تمامًا. وبقدْر من الإمعان، يُمكِنُك رؤية بُقَع ملوَّنة، هي عبارة عن أقواس قزح من الدرجات العشر الأولى (أي ما يصل إلى عشرة انعكاسات داخلية).
يَنكسِر الضوء الصادر من الكشاف، ويَنقسِم إلى ألوان، بفعل قطرات المطر المُتساقِطة عبْر الشعاع. تقع بعض القَطرات على زوايا صحيحة من منظورك، بحيث تُرسل أشعة قوس قزح إليك. تَرتبِط الحزمة الأبعد عن الكشاف بقَوس قزح الطبيعي من الدرجة الأولى (قوس قزح الطبيعي الأدنى)، في حين تَرتبِط الحزمة الأُخرى بقوس قزح الطبيعي من الدرجة الثانية. وبينما يدور شعاع الضوء، فإن مواقع القطرات التي تُرسِل أشعة قوس قزح إليك تتحرَّك أعلى وأسفل الشعاع؛ ومِن ثَمَّ تتحرك الحزم هي الأخرى. تكون ألوان الحزم داكنة إلى حدٍّ كبير؛ لأن عينيك لا تُحسنان رصد الألوان في الليل.
أما أقواس قزح في الشوارع الجافة، فتنتج عن الكرات الزجاجية الشفافة الصغيرة التي تُضاف أحيانًا إلى خطوط تحديد المسارات في الشارع لتَعكس ضوء السيارة إلى السائق مرةً أخرى، لكي تكون الخطوط أكثر وضوحًا في الليل. إذا انفصلت كرات كثيرة وتناثرت في الشارع، فإنها تحلل ضوء الشمس المباشر إلى ألوانه، تمامًا مثلما تفعل قطرات المطر. أما أقواس قزح الغريبة الأخرى، فمن الصعب أكثر تفسيرها، لكنها تنتج على الأرجح عن قطرات الماء، أو شذرات الزجاج، أو الجسيمات الأخرى التي تُقسِّم الضوء الأبيض إلى ألوانه.
(٤) سماء النهار ليست مظلمة
لماذا تكون السماء مُشرِقةً خلال النهار؟ بطريقةٍ ما، على ما يبدو، يُغيِّر الغلاف الجوي من مسار الضوء ويُوجِّهه نحوك. ومع ذلك، إذا كان الهواء شفافًا، فلماذا لا يمرُّ ضوء الشمس من خلاله دون أن يَنحرِف؟
غالبًا ما يُجاب عن هذا السؤال بالإحالة إلى مبدأ «تشتُّت رايلي»، وهو نموذج يُفسِّر كيفية تشتُّت الضوء من جزيئات الهواء. أشار ألبرت أينشتاين إلى أنه إذا كانت هذه الإجابة كاملةً ووافية، لكانت سماء النهار مُظلِمة.
(٥) ألوان السماء
لماذا تكون السماء زرقاء نهارًا؟ هل يعود هذا اللون الأزرق إلى المياه أو الهَبَاء الجوي الموجودين في الهواء، أم نتيجة لجزيئات الهواء نفسها؟ ماذا سيحدث لهذا اللون الأزرق إذا كان الغلاف الجوي أسمَك أو أرفع؟ لماذا ليسَت السماء بنفسجية اللون (ذات لون أزرق داكن)؟
لماذا تكون المنطقة التي بالقرب من الأفق أكثر بياضًا من السماء القريبة؟ ما هو الجزء الأكثر زرقة في السماء؟ لماذا لا يكون للسماء لون واحد؟ هل تكون السماء زرقاء في ليلة مقمرة؟ (على الرغم من أن السماء تكون مظلمة جدًّا بحيث تعجز عيناك عن تمييز أي لون، إلا أنها قد تكون ملوَّنة.)
لماذا يكون لون غروب الشمس أحمر؟ ألا ينبغي أن تكون الألوان الأخيرة هي خليط من الأحمر والأصفر يَنتُج عنه لون برتقالي؟ لماذا يوجد أحيانًا تبايُن لوني حاد في المنطقة الحمراء من السماء؟
على الرغم من أن اللون البنفسجي يتشتَّت بقوة أكبر من الضوء الأزرق، فلا تَبدو السماء بنفسجية لأن اللون البنفسجي الموجود في ضوء الشمس يكون أبهت من اللون الأزرق، ولأنَّ عينيك أيضًا أقل حساسية في تمييز اللون البنفسجي عنها من تمييز الأزرق.
يُطلَق على هذا النوع من التشتُّت الذي تُحدِثه الجزيئات «تشتُّت رايلي» نسبة إلى نموذج طوَّره اللورد رايلي في نهاية القرن التاسع عشر. كان اللورد رايلي مقتنعًا في البداية بأن الغاز النقيَّ (الذي لا يوجد به هباء جوي أو غبار) شفَّاف؛ ومِن ثَمَّ كان لون السماء الأزرق بالنسبة إليه ناتجًا عن تشتت الضوء من الجسيمات الصغيرة وليس من الجزيئات.
على الرغم من أن الماء وجزيئات الأوزون في الغلاف الجوي تمتصُّ الطرف الأحمر للطيف، ومِن ثَمَّ تترك الطرف الأزرق، إلا أنَّها لا تُضفي اللون الأزرق الملحوظ على السماء. يوجد القليل من الماء في الغلاف الجوي، قدْرٌ قليل لا يصنع امتصاصه فارقًا، كما أن ضوء الشمس ينتقل أثناء النهار مسافات قصيرة جدًّا عبْر طبقة الأوزون بحيث لا يَصنع امتصاص الأوزون فارقًا.
تكون السماء عند الأفق بيضاء؛ لأن الضوء القادم من الجزيئات البعيدة يَخضع لتشتُّت مُتعدِّد قبل أن يصل إليك. ترسل الجزيئات الأقرب الضوء الأزرق في اتجاهك كما تفعل الجزيئات الأبعد. ومع ذلك، فإن المسافة الطويلة التي يقطعها الضوء من الجزيئات الأبعد يَعني أنه يَخضع لتشتُّت إضافي، بينما يُصبح المكوِّن الأزرق أضعف. يَغلب اللون الأحمر أخيرًا على هذا الضوء ويَمتزِج مع الضوء الذي يَغلب عليه اللون الأزرق القادم من الجزيئات الأقرب ليَخلُقا اللون الأبيض للأفق.
تكون سماء الليل زرقاء، إلا أن الضوء يكون شديد الخفوت بحيث لا يميِّز جهازك البصري لونه. ومع ذلك، يُمكن أن يظهر اللون الأزرق في الصور الفوتوغرافية ذات زمن التعرُّض الطويل.
عندما ترى غروب الشمس، فإنك تعترض الضوء الذي قطع مسافة طويلة عبْر الغُلاف الجوي للأرض بدلًا من الضوء الذي يَنتقل من الشمس إلى الأسفل عبْر الغلاف الجوي مُباشرة. تُشتِّت جزيئات الهواء الطرف الأزرق من الطيف على مدار هذه المسافة الطويلة، تاركةً بصورة رئيسية الطرف الأحمر والأصفر من الطيف موجَّهَين نحوك. من المفترض أن تكون ذروة شدة اللون عند طول موجي يبلغ حوالي ٥٩٥ نانومترًا، ولا بد أن يكون اللون الصافي برتقاليًّا. ومع ذلك، يميل اللون في أغلب حالات غروب الشمس أكثر إلى اللون الأحمر؛ وذلك لأن الجسيمات الصغيرة في الغلاف الجوي تُساعد في تشتيت جميع الألوان ما عدا اللون الأحمر.
أحيانًا، قد يكون هناك انقسامٌ حادٌّ في ألوان السماء أثناء غروب الشمس إذا شاهَدْتَه خلال فترة من فترات «الانقلاب الحراري» التي تزداد فيها درجة حرارة الهواء مع الارتفاع. وعندما يمر الضوء الموجود بالقرب من غروب الشمس عبْر مثل هذا التباين في درجة حرارة الهواء، ينكسر ولا تعترض أنت مساره. إلا أنك لا تزال تعترض الضوء القادم من أجزاء مُنخفِضة قليلًا وأخرى مرتفعة قليلًا من السماء، ولكن نظرًا لوجود جزء مفقود في المشهد الذي تراه، لا يمتزج لون الجزء السفلي مع لون الجزء الأعلى من السماء بسلاسة.
(٦) الجبال الزرقاء والبيضاء والغيوم الحمراء
لنفترض أنك تَفحص ألوان سلسلة من الجبال المظلمة التي تمتدُّ بعيدًا. لماذا تكون الجبال الواقعة على مسافة مُتوسِّطة زرقاء اللون والجبال الأبعد قليلًا أكثر زرقة، بينما يكون لون الجبال التي تظهر على امتداد خطِّ الأفق أبيض؟ لماذا تَصطبغ الحقول الثلجية البعيدة بعضَ الشيء، والمعرَّضة للضوء المبهر، باللون الأصفر أحيانًا؟ لماذا تكون الغيوم البعيدة جدًّا حمراء اللون أحيانًا؟ قد تظن أن هذا التلون يحدث فقط أثناء غروب الشمس عندما تكون بعض أجزاء السماء حمراء، ولكن يمكن أن يحدث ذلك أيضًا حتى عندما تكون الشمس في كبد السماء.
إنَّ لون الحقول الثلجية البعيدة المضاءة بضوء ساطِع يَختلِف عن لون الجبل الواقع على المسافة عينها؛ لأنَّ الحقل الثلجي يُشتِّت الضوء الأبيض نحوكَ بينما لا يفعل الجبل ذلك. وبينما يَنتقِل الضوء المُشتَّت من جانب الحقل الثلجي نحوك، فإنَّ الطرف الأزرق من الطيف يَضعُف بسبب التشتُّت الناتج عن وجود جزيئات الهواء في الطريق، ويَميل اللون الأصفر على الهيمنة على الضوء الواصل إليك. ومع ذلك، تُرسل إليك جزيئات الهواء المضيئة التي تقع بينك وبين الحَقل الثلجي ضوءًا يَغلِب عليه الطرف الأزرق من الطيف. ويَنتُج عن امتزاج الضوء الغالب عليه اللون الأزرق من جُزيئات الهواء بالضوء الغالب عليه اللون الأصفر والأحمر من الحقل الثلجي، ضوء أبيض ذو صِبغة صفراء.
تمامًا كالحقول الثلجية البعيدة، تُشتِّت السُّحب البعيدة الضوءَ الأبيض الساطع تجاهَك، وهو ما قد يَجعلك تظن أن السُّحب سيكون لها نفس الصبغة الصفراء. ومع ذلك، يُمكن أن يكون لإحدى السُّحب البعيدة لون أحمر مَلحوظ. ويعود هذا الاختلاف في التلوُّن إلى قدرتك على رؤية السُّحب التي تقع على مسافات أبعدَ مِن الحقول الثلجية. تعني المسافة الإضافية أن الضوء القادم من السُّحب يَخضع إلى المزيد من التشتُّت بواسطة جزيئات الهواء التي تُضفي الصبغة الحمراء على هذا الضوء.
(٧) علامة الخطر بالنسبة للبحارة
هل المثَل الشائع «تُبهِج سماء الليل الحمراء قلوبَ البحَّارة، أما سماء الصباح الحَمراء فتُنبِّئهم بالخسارة» صحيح؟
(٨) غروب الشمس والبراكين
لماذا تَجعل الانفجارات البركانية ألوانَ غروب شمس أخَّاذةً في جميع أنحاء العالم؟ على ما يبدو، كانت حالات الغروب الفريدة هذه هي مصدر الإلهام في العديد مِن لوحات الرسام النرويجي إدفارد مونك، بما في ذلك لوحتُه الشَّهيرة «الصرخة»، التي تُصوِّر شخصًا يُعاني من يأسٍ وجودي وتَصطبغ السماء بلونٍ أحمر دامٍ مِن خلْفه. كان مونك قد شاهد غروب الشمس بألوانه الأخَّاذة في موطنِه في النرويج بعد ثورة بركان جزيرة كراكاتوا بالقُرب من جاوة في عام ١٨٨٣. قذَف هذا الانفجار البُركاني بالرماد في الغلاف الجوِّي العُلوي، وانتشر الرماد في جميع أنحاء العالم. لا بد أن مونك قد وجد مشهد غروب الشمس مُخيفًا ومُنذِرًا بالخطر عندما وصَل الرماد إلى دوائر العرض الشمالية العُليا للنرويج.
هذه الطبقة من الرماد والهَبَاء الجوي تُغلِّف الأرض. والألوان التي تراها في السماء عند غروب الشمس هي مَزيج من أشعة الشمس المشتَّتة من تلك الطبقة ومِن جزيئات الهواء الموجودة أسفلها وأعلاها. يَميل الضوء الذي يَصل إليك «من أسفل الطبقة» إلى اللون الأحمر لأنَّه يمرُّ عبْر الجزء الكثيف من الغلاف الجوي؛ حيث يفقد الكثير من اللون الأزرق بسبب التشتُّت الناتج عن وجود جزيئات الهواء الوفيرة على طول مساره. يمرُّ الضوء الذي يصل إليك من هذه الطبقة أيضًا عبْر الغلاف الجوي المُنخفِض، ولكنه قد يَخسر بعضًا من ضوئه الأحمر لعملية امتصاصِه من قِبَل الأوزون. يمرُّ الضوء الذي يَصِل إليك من أعلى الطبقة عبْر هواءٍ أرقَّ ولا يَخسر سوى القليل من لونه الأزرق. عندما تنظر إلى السماء في وقت غروب الشمس، يُمكنك اعتراض/مواجهة الضوء بمجموعة متنوِّعة من الألوان المُذهِلة التي يُمكن أن تَختلِف في كل جزء من أجزاء السماء وتَختلِف أيضًا من ليلة لأخرى. وبما أنه من المُمكن أن يستمر وجود الهَبَاء الجوي والرماد البركاني لأَشهُر، يستمرُّ الغروب الأخاذ بدوره في الحدوث.
إذا حجبت السُّحب البعيدة الموجودة أسفل الأفق الغربي بعضًا من الضوء الذي يصل إلى الطبقة السُّفلى من الطبقة، سترى تنوُّعات أفقية في اللون قد ينتج عنها ظهور الغروب بتوزيعات لونية مختلفة بصورة لافتة للنظر على الجانب الأيمن والأيسر من الشمس.
(٩) حلقة الأسقف
في أغسطس عام ١٨٨٣، حدث انفجار بركاني ضخم في جزيرة كراكاتوا بالقرب من جاوة، جنوب شرق المحيط الهادي. وفي شهر سبتمبر من نفس العام، وصَف القسُّ سيرينيو، أحد أساقفة هونولولو، ظهور «هالة غريبة ممتدة من الضوء تبعُد عن الشمس من عشرين إلى ثلاثين درجة كنا نراها في السماء كل يوم وطوال اليوم، وكانت عبارة عن ضباب أبيض يَصطبِغ باللون الوردي الذي يتدرَّج إلى اللون الأرجواني الفاتح أو البنفسجي، ومن خلفها يظهر لون السماء الأزرق.» ما الذي يتسبب في ظهور هذه الهالة التي تُعرف الآن باسم «حلقة الأسقف»، والتي غالبًا ما تصاحب حدوث الانفجارات البركانية الكبيرة؟ وما الذي يحدِّد حجم الهالة ولون إطارها؟
يعتمد حجم الحلقة على مدى انكسار الضوء، الذي يكون أكبر بالنسبة للجزيئات الأصغر. يمكن أن تكون حافة الحلقة حمراء لأن الضوء الأحمر، ذو الطول الموجي الأطول في الطيف المرئي، يكون أكثر انكسارًا (انتشارًا). وهكذا، يمكن للجسيم الموجود على حافة الحلقة إلى يمينك، مثلًا، أن يُشتِّت الضوء الأحمر ويوجهه نحوك، لكن ليس الضوء الأزرق الأقل تشتُّتًا. ومع ذلك، يمكن أن تكون حافة الحلقة بنفسجية اللون إذا اعترضَت كلًّا من الضوء الأحمر المنكسر والضوء الأزرق الطبيعي للسماء عند حافة الحلقة. تتمتَّع الحلقة بحافةٍ أكثر وضوحًا وثراءً بالألوان إذا كانت جميع جزيئات الغبار لها الحجم نفسه تقريبًا، ومِن ثَمَّ تُشتِّت الضوء بالطريقة نفسها. أما إذا كان للحلقة مجموعة واسعة من الأحجام المختلفة لجزيئات الغبار، تكون الحلقة خفيفة ومائلة إلى البياض.
(١٠) الانحناءات التي تُميِّز التباين بين السُّحب
أثناء رحلتك الجوية القادمة، افحَص شكل السُّحب بالقرب من النقطة المقابلة للشمس مباشرة. من المحتمل أن ترى المزيد من الأشكال في السُّحب في المنطقة التي تقع بزاوية مقدارها حوالي ٤٢ درجة من النقطة المقابلة للشمس أكثر من المناطق الموجودة خارج هذه المنطقة. فلماذا تتغيَّر أشكال السُّحب هكذا؟
(١١) ألوان السماء أثناء كسوف الشمس
لماذا يَتحوَّل الأفق خلال كسوف الشمس الكامل إلى اللون الأحمر بينما تُصبح السماء العلوية أكثر زرقةً مما هي عليه قبل الكسوف أو بعده؟
تكون السماء أكثر زرقة أثناء الخسوف الكلي؛ لأن الظل يُلغي الضوء الذي يتشتَّت نحوك من الجزء السفلي من الهواء العلوي. يصطبغ هذا الضوء عادةً باللون الأحمر؛ لأنه حتى يصل الضوء إلى الهواء العلوي، فإنه ينتقل عبْر الجزء الأكثف من الغلاف الجوي. يفقد الضوء على طول الطريق الكثير من لونه الأزرق بسبب التشتُّت الذي تُحدثه جزيئات الهواء الوفيرة التي يتعرض لها في طريق، وهكذا، عندما يتشتَّت نحوك أخيرًا من الهواء العلوي يكون اللون الغالب عليه هو الأحمر. أما الضوء الذي يتشتَّت نحوك من الجزء الأعلى من الهواء العلوي، فينتقل عبْر الجزء الأقل كثافة من الغلاف الجوي، ويُقابل عددًا أقل من الجزيئات؛ ومِن ثَمَّ يفقد قدْرًا أقلَّ من لونه الأزرق. وهكذا، عندما يتشتَّت أخيرًا متجهًا نحوك من الهواء العلوي، يكون لا يزال محتفظًا بمعظم لونه الأزرق. يكون لون السماء العلوية عادة مزيجًا من الضوء الأحمر من الهواء السفلي، والضوء الأكثر زرقة من الهواء الأعلى. ومع ذلك، يلغي الكسوف الضوء الأحمر، وبذلك تصبح السماء العُلوية أكثر زرقة من المعتاد أثناء الكسوف.
(١٢) عندما يتحول لون السماء إلى اللون الأخضر، اختبئ في القبو
عندما كنت صغيرًا وكنت أعيش في تكساس، كانت جدتي تأخذنا دائمًا إلى القبو كلما حوَّلت عاصفة شديدة لون السماء إلى الأخضر؛ لأنها (وآخرين) اعتقدت أن اللون الأخضر يشير إلى احتمال حدوث إعصار. لماذا يتغيَّر لون السماء إلى هذا اللون بدلًا من أن تُصبح مُظلِمة فحسب؟
(١٣) تعزيز زرقة السماء العلوية
لماذا تتحوَّل السماء العلوية إلى اللون الأزرق أثناء غروب الشمس؟ ألا يجب أن تُصبح حمراء لأن غروب الشمس أحمر؟
(١٤) الرقعة الداكنة والحدود الوردية التي تظهر أثناء وقت الغروب
يوجد العديد من الأسباب التي تجعل اللون الداخلي للظل أزرق؛ أولًا: لا يمكن أن يكون الضوء الذي يأتي من داخل الظل قادمًا مباشرة من الشمس، ولكن لا بد أن يتشتَّت هناك بفعل الهواء العالي الارتفاع الذي يكون لا يزال مضاءً بشكل مباشر. ونظرًا لأن الهواء العالي الارتفاع يكون رقيقًا، فلا يفقد هذا الضوء الكثير من اللون الأزرق مثل الضوء الذي يَنتقِل عبْر الهواء المُنخفِض الارتفاع. إذا انتقل الضوء بدرجة كبيرة عبْر طبقة الأوزون، فإنه يصبح أكثر زرقة؛ لأن الأوزون يمتص الطرف الأحمر من الطيف. يتشتَّت بعض هذا الضوء الغالب عليه اللون الأزرق في الظل ثم يتشتَّت نحوك. يمكنك في بعض الأحيان رؤية هذا الضوء الخافت الغالب عليه اللون الأزرق لأن خلفية الظل تكون مُظلِمة.
(١٥) أعمدة ساطعة ومظلمة في السماء
عندما تكون الشمس منخفضة في بعض الأحيان، تمتد أعمدة ساطعة ومظلمة عبْر السماء على شكل مروحي، وتتباعَد عن السُّحب الموجودة بالقُرب من الشمس أو تتقارَب نحو السُّحب الموجودة بالقرب من النقطة المُقابِلة للشمس تمامًا. إذا كنت محظوظًا للغاية، فقد ترى أعمدة من الضوء تَنتشِر فوق معظم السماء. لماذا تظهر هذه الأشعة؟ ولماذا لا تكون متوازية؟ ومع ذلك، فالشمس بعيدة جدًّا بحيث تكون أشعة الشمس متوازية تقريبًا.
تصعب رؤية أعمدة الضوء التي تكون فوق رءوسنا مباشرة؛ لأن من هذا المنظور سننظر عبْر عرضها الضيق؛ ومِن ثَمَّ نَعترِض فقط القليل من الضوء المشتَّت. تسهل رؤية الأعمدة عندما ننظر تجاه الشمس أو إلى النُّقطة المقابلة للشمس مُباشرة؛ لأنَّنا حينئذٍ ننظر إليها بطول امتدادها نسبيًّا. يعني هذا أنك تَعترِض المزيد من الضوء المشتَّت مما يُعزِّز من التباين مع الظلال.
تُرَى أعمدة ضوء مشابهة عندما تمر أشعة الشمس الساطعة المباشرة عبْر هواء معبَّأ بالأَتربة في غرفة ذات إضاءة خافتة. يُمكننا رؤية أعمدة الضوء هذه لأن الغبار يُشتِّت الضوء نحوك ولأن هذا الضوء المشتَّت لا يَضيع في الضوء الساطع المعتاد الذي يَنعكس من الأثاث الموجود خلف أعمدة الضوء.
(١٦) الشبورة الزرقاء والحمراء والبنية
بعض الجبال ذات الغطاء النباتي، مثل جبال بلو ريدج في ولاية تينيسي الأمريكية، و«الجبال الزرقاء» في أستراليا، تُعرَف بشبورتها الزرقاء. لا تكون الشبورة بسبب الدخان؛ وذلك لأن تلك المناطق تكون غير مأهولة نسبيًّا، كما لا تكون بسبب الغبار الذي تَحمله الرياح؛ وذلك لأن اللون الأزرق يختفي أثناء الرياح القوية. كما أنها ليست ضبابًا كذلك؛ لأنها تكون أوضح خلال الطقس الحار. فما الذي يُنتِج هذه الشبورة الزرقاء؟
في بعض الأحيان، عندما يكون المُحيط أو الأرض مُغطَّيان بالشبورة، فقد يكون هذا السطح غير مرئي مِن طائرة تُحلِّق على ارتفاعات عالية. لماذا تكون هذه الشبورة غالبًا حمراء اللون؟
لماذا تكون الشبُّورة في المدينة بُنيَّة اللون عادةً؟ هل يَرجع اللَّون إلى امتِصاص جسيمات الشبورة لألوان معيَّنة؟ أم هل تَشتُّت الضوء الحادث بسبب الجسيمات يترك ضوءًا بنيًّا؟ هل يَعتمِد اللون على ألوان الخلفية التي تنظر إلى الشبورة مقابلها؟
إذا نظرت نحو الشمس عبْر شبورة كثيفة، لماذا تكون الشمس محطَّة بمنطقة بيضاء ساطعة؟ ولماذا تكون المنطقة المُحيطة بالشمس حمراء اللون أحيانًا؟
أما الشبورة الحمراء فيُحتمَل تكوُّنها بسبب الغبار والهَبَاء الجوي الأكبر حجمًا نسبيًّا (يكون قُطره حوالي ٠٫١ ميكرومتر). الجسيمات التي تكون بهذا الحجم تَنحو إلى تشتيت الضوء الأحمر من ضوء الشمس.
تتكوَّن الشبورة في المدينة من قطرات الماء التي تحلَّلت فيها مركبات مختلفة. أحد هذه المركبات هو ثاني أكسيد النيتروجين الذي يمتصُّ ما يكفي من الألوان في ضوء الشمس بحيث يجعل ضوء الشبورة بُنِّي اللون. وكذا يُمكن أن يلعب لون الخلفية، مثل لون المباني المصنوعة من الطوب، دورًا إذا كان معظم الضوء الذي يُنير الشبورة قادمًا من الخلفية.
عندما تنظر إلى الشمس من خلال شبورة كثيفة، تُشتِّت الجسيمات العالقة أشعة شمس إضافية نحوك. يحدث التشتُّت في المقام الأول في الاتجاه الأمامي؛ ومِن ثمَّ تُرَى أسطع منطقة بالقرب من الشمس. عندما تكون الشمس مرتفعة، تُضيء أشعة الشمس البيضاء الشبورة؛ ومِن ثَمَّ فإن المنطقة المحيطة بمجال رؤيتك للشمس ستكون بيضاء على الأرجح. أما عندما تكون الشمس منخفضة، فتكون الشبورة مُضاءة بالضوء الذي احمرَّ نتيجةً لمروره الطويل عبْر الغلاف الجوي؛ ومِن ثمَّ تصبح المنطقة المحيطة حمراء.
(١٧) الأضواء القادمة من مدينة بعيدة
عندما تقود سيارتك ليلًا نحو مدينة بعيدة، لماذا ترى وهجًا برتقاليًّا قذرًا في سمائها؟ لماذا يغلب على الضوء القادم من شجرة عيد ميلاد اللون الأحمر حتى ولو كانت الشجرة مغطاة بالفعل بأضواء ذات ألوان مختلفة؟
إذا نظرت إلى شجرة عيد الميلاد البعيدة، فإن الضوء الأزرق الذي يَنتقِل نحوك يُضعف بالمثل عن طريق التشتُّت الذي يَخضع له من الهواء الوسيط. إذا كانت المسافة كافية، فلن ترى سوى الأضواء الحمراء المعلَّقة على الشجرة.
(١٨) كم يَبعد الأفق؟
هل يَمنعك الأُفق الموجود عند انحناء الأرض من رؤية أي نقطة أبعد على سطح الأرض؟ كيف تَعتمِد المسافة إلى الأفق على ارتفاعك فوق سطح الأرض؟ هل يظلُّ الأفق جليًّا إذا ارتفعت أكثر؟
(١٩) لون السماء الملبَّدة بالغيوم
لماذا يتغيَّر لون السماء الملبَّدة بالغيوم في الريف مع تغيُّر الفصول، فيبدو أكثر خضارًا في الصيف منه في فصل الشتاء؟
(٢٠) خرائط في السماء
في الحقول الجليدية التي تقع في أقصى الشمال، تظهر خرائط كبيرة للتضاريس المحيطة في بعض الأحيان عند قاعدة السُّحب المُنخفِضة أو الشبورة. يُطلق على هذه الخريطة اسم «الوميض الجليدي» أو «الخريطة السحابية»، وهي تُمكِّن المسافر من اختيار مسار عبْر حقل الجليد في حالة التجديف في قوارب الكَياك أو فوق الجليد في حالة التزلُّج. يُمكن أن تُظهر هذه الخريطة أكثر من ثلاثين كيلومترًا من حقل الجليد. فما هو سبب الوميض الجليدي؟ وهل يُمكن أن تُرى تلك الخرائط تحت ظروف أخرى؟
(٢١) لماذا تصبح السماء أكثر سطوعًا عند تساقط الثلوج
لاحَظَ بعضُ المُراقبين أنه خلال ضباب فصل الشتاء، تتحسَّن الرؤية بشكل ملحوظ عندما تبدأ الثلوج في التساقط. وعندما لا يكون هناك ضباب ولكن تكون السماء ملبَّدة بالغيوم، يَبدو أن درجة السطوع تزداد بسرعة إذا بدأت الثلوج في التساقُط. لماذا يُغيِّر الثلج درجة الرؤية والسطوع؟
لماذا يكون الثلج الموجود في الأفق أكثر سطوعًا من ذلك الموجود في السماء القريبة عندما تكون السماء ملبَّدة بالغيوم؟
في يوم ملبَّد بالغيوم، يكون الثلج الموجود في الأفق أكثر سطوعًا من السماء القريبة لثلاثة أسباب: (١) تُشتِّت قطراتُ الماء الموجودة في السُّحب ضوءَ الشمس إلى الأمام بشكل أساسي؛ ومِن ثَمَّ فإنك ستَعترض المزيد من الضوء القادم من الجزء العلوي من السماء الملبدة بالغيوم أكثر من الجزء الواقع بالقرب من الأفق. وبذلك، تكون السماء القريبة من الأفق مظلمةً نسبيًّا. (٢) يُشتِّت الثلجُ الضوءَ بقوة في جميع الاتجاهات؛ ومِن ثَمَّ فإنك ستعترض كمية كبيرة من الضوء القادم من الثلج الموجود بالقرب من الأفق، وبذلك يكون الثلج ساطعًا. (٣) عندما ترى حدودًا تفصل بين المناطق التي تختلف في درجات السطوع، فإن نظامك المرئي سيُعزز هذا الاختلاف حتى يجعل هذه الحدود أكثر وضوحًا.
(٢٢) نهاية شعاع ضوء الكشاف
استُخدمت الكشافات في الحرب العالَمية الثانية لتحديد موقع طائرات العدو في الليالي الحالكة؛ أما في هذه الأيام فتُستخدم لجذب الناس لحضور العروض الأولى للأفلام. لماذا ينتهي شعاع ضوء الكشاف عند نقطةٍ ما فجأة بدلًا من التلاشي، أو بدلًا من أن يمتدَّ «إلى الأبد»؟
قصة قصيرة
(٢٣) شعاع شمس الانقلاب الشتوي في نيوجرانج
نيوجرانج هو عبارة عن تل كبير بناه إنسان العصر الحجري الحديث في حوالي عام ٣١٥٠ قبل الميلاد، ويقع في دولة أيرلندا حاليًّا. يتكون التل من تعريشة حجرية يَعلوها طين، بها مدخل واحد يواجه الجنوب وممرٌّ يبلغ طوله عشرين مترًا يمتدُّ إلى منتصف التل. تقع فتحة صغيرة، «فتحة السقف»، فوق البلاطة الحجرية وتُشكِّل الجزء العلوي من المدخل. على مرِّ العصور، لم يكن لفتحة السقف هذه وظيفة حتى عام ١٩٦٩. عند شروق الشمس في الانقلاب الشتوي، تُرسل الشمس شعاعًا رفيعًا من الضوء عبْر مربَّع السقف وبطول المَمر لتُضيء حجرة الدفن التي تقع في مركز التل. لا يحدث هذا التعامد من قبيل الصدفة، ولكنه صُمِّم ليكون كذلك بعدما كافح أُناس العصر الحجري الحديث ليضعوا تعريشتهم الحجرية في المكان المناسب عند بناء نيوجرانج.
تحدُث تأثيرات بصرية مشابهة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: بحلول غروب الشمس في أيامٍ معينة، يتصادف أن ترسل الشمس ضوءها عبْر المدخل الرئيسي (طريق ماساتشوستس ٧٧) بطول أحد المَمرات الرئيسية على بُعد ٢٥١ مترًا. وعلى الرغم من عدم وجود حجرةِ دفن رسمية في نهاية ذلك الممر، فقد تعرَّض العديد من الطلاب إلى الموت الأكاديمي في ذلك الممر أو بالقرب منه.
(٢٤) الوميض الأخضر
عندما تغرب الشمس في أفقٍ صافٍ، فقد ترى وميضًا أخضر مُبهرًا أثناء اختفاء الجزء العلوي من الشمس. لا يكون هذا الوميض صورة تَلَويَّة؛ وذلك لأنه قد تم تصويره فوتوغرافيًّا بالفعل، ويُمكن رؤيته أيضًا أثناء شروق الشمس. عند دوائر العرض المرتفعة، يمكن أن يكون الوميض مرئيًّا لأوقات أطول، لمدة ثلاثين دقيقة على الأرجح، أثناء تحرُّك الشمس في الأفق خلال شروقها في نهاية ليلة شتوية طويلة. عادةً ما تكون الآفاق الصافية، كالتي تكون فوق المُحيطات، ضرورية لهذا الأمر.
على الرغم من أنه شيء نادِر الحدوث، يُمكن رؤية وميضٌ أحمر عندما تغيب الشمس أسفل سحابة بينما تكون منخفضة في السماء. (سواء كنت تبحث عن الوميض الأخضر أو الأحمر، توخَّ الحذرَ الشديد عند النظر إلى الشمس مباشرة؛ إذ إن الضوء يُمكن أن يُدمِّر شبكية العين بكل سهولة حتى إذا لم تَشعُر بأي ألم. لا تنظر مطلقًا إلى الشمس المرتفعة مباشرة لأكثر من ثانية واحدة، ولا تستخدم المنظار أو التليسكوب. عندما تكون الشمس على وشك الغروب، يكون الضوء أخفت نتيجةً للامتصاص الذي يتعرَّض له الضوء أثناء المسافة الكبيرة التي يقطعها عبْر الغلاف الجوي ليَصل إليك؛ ومِن ثَمَّ تكون المشاهَدة أكثر أمنًا.)
ما الذي يتسبَّب في حدوث الوميض الأخضر والأحمر؟
ومع ذلك، فهناك عامل آخر يُضاف إلى هذا التفسير التقليدي؛ فإذا شاهدت الشمس وهي تغرب، تتوقَّف مستقبلات الضوء الموجودة في العين والمسئولة عن رؤية الطرف الأحمر من الطيف — يُقال إنها تكون مُبيضة. إذا كان آخر ضوء تراه من الشمس يَغلب عليه اللون الأصفر، فستراه أخضر نتيجةً لعملية التبييض التي ذكرناها سلفًا. وإذا حدث أن استدرت ناظرًا فجأةً نحو الشمس في الغروب بينما يكون آخر ضوء لا يزال مرئيًّا، فقد ترى اللون الأخير كما هو فعلًا — ألا وهو اللون الأصفر — وهو ما ستُظهره الصور الفوتوغرافية أيضًا. لا يمثل هذا التغيُّر في اللون نتيجة للتأثيرات الفسيولوجية مشكلة في حال كنت تُشاهد شروق الشمس؛ وذلك لأن مستقبلات الضوء الموجودة في العين لا تتعرَّض عندئذٍ للتبييض.
إذا كان هذا التفسير كاملًا، فلماذا لا نرى وميضًا أخضر مع كل غروب للشمس في الأفق الصافي؟ وكيف يُمكِن التقاط هذا الوميض الأخضر وتسجيله في الصور الفوتوغرافية؟ يوجد عامل إضافي آخر، ألا وهو عامل الندرة. يُمكن أن يعزز الوميض طبقات الغلاف الجوي التي تختلف فيها درجات الحرارة. يُمكن أن تؤدي الطبقات أحيانًا إلى فصل الحافة العلوية من صورة الشمس وتُعظِّم حجمها. وعندما تتحول الحافة العلوية المعظمة إلى اللون الأخضر، تكون هذه هي أفضل فرصة لرؤية الوميض الأخضر. وتحت هذه الظروف، يمكن أن يحدث الوميض الأخضر حقًّا ويمكن تصويره فوتوغرافيًّا.
يحدث الوميض الأحمر النادر عندما تبرز الشمس المُنخفضة من أسفل أحد السُّحب بحيث لا ترى سوى صورتها الحمراء فحسب، بينما تكون الألوان الأخرى مرتفعة جدًّا بحيث يتعذَّر مرورها أسفل السُّحب. على ما يبدو، تعود الندرة إلى الحاجة لأن تكون الشمس منخفضة تمامًا، ولكنها لا تزال مرئية من أسفل طبقة السُّحب البعيدة.
(٢٥) أشكال مشوهة للشمس المنخفضة
تَنتُج التشوُّهات الأعقد للصورة من انكسار أشعة الشمس بواسطة الماء الساكن أو مِن انكسار الأشعة عبْر طبقات الغُلاف الجوي حيث تَختلِف درجات الحرارة. في نموذج بسيط للغُلاف الجوي السُّفلي، تَنخفِض درجة حرارة الهواء مع الارتفاع، ولكن إذا كانت هناك طبقات تزيد فيها درجة الحرارة، يمنحك التغيير في الانكسار صورة للشمس مقسَّمة إلى طبقات، أو صورة واحدة تتكوَّن من أجزاء مُنفصِلة. يُمكن للطبقات أيضًا أن تنتج صورة سرابية للشمس تَلتحِم مع الجزء السُّفلي من صورتها الطبيعية، مما ينتج عنه صورة غير دائرية بشكل واضح.
(٢٦) القمر الأحمر أثناء الخسوف
عندما يكون القمر داخل ظل الأرض بالكامل أثناء الخسوف الكامل للقمر، لماذا يصبح القمر أحمر اللون لفترة وجيزة؟ لماذا لا يظهر باللون الأحمر عندما يكون الخسوف جزئيًّا فحسب، عندما تكون نسبة التغطية ٥٠٪ على سبيل المثال؟
أما خلال الخسوف الجزئي للقمر، فإنك لا تَعترض الضوء الأحمر الذي ينعكس من الجزء المظلل من القمر فحسب، بل الضوء الأبيض الأكثر سطوعًا الذي يَنعكِس من باقي القمر. لن يُمكِنَك تمييز الضوء الأحمر القاتم في وجود الضوء الأبيض الأكثر سطوعًا، إلا إذا توفَّرت تغطيةٌ لما لا يقل عن ٧٠٪ من القمر؛ ومِن ثمَّ يبدو الجزء المظلل مظلمًا فحسب. وبالمثل، لا يُمكنك تمييز الضوء الأحمر في أثناء المراحل المبكرة أو المتأخرة من خسوف القمر الكامل؛ وذلك لأنك تعترض الكثير من الضوء الأبيض.
(٢٧) الوميض التاجي
عندما يُومض البرق في الجسم الأساسي لإحدى السُّحب، قد ترى ضوءًا ساطعًا يخرج متعرجًا من قمة السحابة. هل هذا السطوع الذي يُسمى ﺑ «الوميض التاجي» أو «الوهج الخاطف»، عبارة عن تفريغ كهربي استثنائي أم انعكاس غريب للضَّوء من البرق؟
(٢٨) سراب الواحة
في الأيام الحارة، قد تشاهد بِركة مياه بعيدة تمتد على الأرض، ولكن بمجرد وصولك إلى تلك المنطقة تجد أنها جافة تمامًا. يبدو الماء حقيقيًّا، ذا لون أزرق وبه تموُّجات صغيرة. لا يمكن فقط رؤية ظاهرة «سراب الواحة» التقليدية، بل يُمكن تصويرها فوتوغرافيًّا كذلك.
يُمكنك في كثير من الأحيان رؤية السراب ليلًا إذا دقَّقتَ النظر في الضوء القادم من سيارة بعيدة آتية في اتجاهِك. أيضًا، قد ترى أسفل المكان الذي ترى فيه الضوء الأمامي مباشرةً شعاعًا من الضوء يمتدُّ على الطريق. إذا كان الشعاع باهتًا، فإذن أنت ترى انعكاسًا ضعيفًا لضوء المصباح الأمامي على الطريق. أما إذا كان الشعاع ساطعًا، فمن المحتمل أن ترى سرابًا ناتجًا عن ضوء المصباح الأمامي. ما الذي يُنتج هذا النوع من السراب؟ هل يستطيع طائر يُحلِّق فوق أحد الطرق رؤية سراب الطريق؟ أي، هل يُمكن أن ينخدع الطائر ويعتقد أن الطريق بالأسفل هو جدول مائي؟
إذا اعترضتَ هذا الضوء، فسيُفسِّر دماغك تلقائيًّا أن مصدره نقطة مضيئة على الأرض بطول امتداد مستقيم وعكسي لشعاع الضوء المُعترَض. هذه النقطة المضيئة، بالطبع، مجرَّد وهْم، ولكنها تبدو حقيقية. علاوة على ذلك، إذا كان الأصل الفعلي للضوء قادمًا من السماء الزرقاء، فيُمكِن أن تظهر النقطة المضيئة باللون الأزرق كما لو كانت ماء. وإذا كان الهواء مُضطربًا، فإن عملية انكسار الضوء ستَتفاوت بشكل ملحوظ وستَتراقص نقطة الضوء كما لو كانت موجات تتراقص على صفحة الماء.
يُمكن أن يظهر سراب الواحات في البيئات الباردة؛ لأنه لا يتطلَّب وجود هواء ساخن، بل انخفاض في درجة حرارة الهواء مع الارتفاع فحسب. وعادةً ما يُمكن رؤيته على الطرقات لأن معظم الأرصفة تمتصُّ أشعة الشمس وسرعان ما تُسَخِّن الهواء المُجاور. عادة ما يكون السراب أكثر وضوحًا إذا كنتَ ترى المشهد بالقرب من الأرض أو كنت تنظر من خلال عدسة تلسكوبية إلى أرضٍ بعيدة.
يمكن للأجسام البعيدة أيضًا أن تُصدِر صورًا سرابية إذا انكسر الضوء منها عبْر الهواء بالقرب من الأرض. يُطلَق على هذا النوع من السراب، وكذا سراب الواحة، اسم «السراب الأدنى»؛ وذلك لأن الصورة تظهر «تحت» مصدر الضوء.
أما النُّسخة الليلية من السراب فتعود إلى وجود طبقة من الهواء الساخن الذي يقع على الطريق. قد يظلُّ الرصيف ساخنًا من التسخين النهاري الذي تحدثه الشمس، ولكن إطارات السيارات والشاحنات المارَّة قد تدفئه أيضًا.
بما أن التغيُّر في الاتجاه الذي ينتقل فيه الضوء يكون طفيفًا، فلا يُمكن للطيور المحلقة أن ترى سراب الماء على أي من الطرق الموجودة أسفلها. قد يرى الطائر سرابًا بعيدًا كالذي نراه، ولكن السراب يتحرَّك باستمرار كلما تحرَّك الطائر، على غرار الكيفية التي يتحرَّك بها سراب الماء على طول الطريق أثناء قيادة السيارة.
(٢٩) سراب الجدار
يُمكن رؤية شكل مختلف من أشكال السراب أحيانًا إذا نظرت بطول جدار طويل يواجه الشمس. قف عند طرف الجدار على أن تكون عينك قريبة من سطحه، بينما يقف صديق لك عند الطرف الآخر. قد ترى صورة تُشبه المرآة لصديقك على الجدار وتبدو متَّصلة عند بعض النقاط به. بل وقد تتمكَّن من رؤية صورتين سرابيتَين لصديقك. لقد قمت بتصوير مثل هذه الصور السرابية بعدسة تلسكوبية مُثبتة على كاميرا وضعتها بملاصقة الجدار. حقَّقت هذه التقنية أفضل النتائج عندما وقفتُ عند أحد أركان الجدار؛ بحيث كانت العدسة موجهة مباشرة بطول الجدار.
(٣٠) وحوش الماء وعرسان البحر والسراب الواسع النطاق
في بعض الأماكن في وقت متأخِّر من بعد الظهيرة أو في الصباح الباكر، يُمكن لنوع معيَّن من السراب أن يَسمح لك برؤية جبل يقع خارج انحناء الأرض؛ ومِن ثمَّ يفترض ألا يكون مرئيًّا. قد يبدأ السراب كبُقعة ضبابية فوق الأفق ثم يصير أكثر وضوحًا حتى يُصبح شكل الجبل مميزًا.
قد يُفسِّر هذا النوع من السراب كيف اكتشف إريك الأحمر جزيرة جرينلاند. تقول الأسطورة إنه عندما نَفَاه رفاقه الآخرون من رجال الفايكنج من أيسلندا، توجه مباشرة نحو أقرب جزء من جزيرة جرينلاند، على الرغم من أنه لم يَكن من المُفترَض أن تكون حتى الأجزاء الأعلى من جرينلاند مرئية من الأجزاء الأعلى لأيسلندا في الظروف العادية. ربما كان يرى بين الحين والآخر سرابًا لأقرب جزء في جرينلاند، فعلم بوجود أرض هناك.
قد تكون مُشاهَدات الوحوش المائية، مثل وحش بحيرة لوخ نس، أمثلة على سراب مُماثل، ولكنه أكثر محلية. فعند توفُّر المنظور المناسب وفي ظل ظروف بعينها، قد تبدو قطعة من الخشب تطفو فوق سطح الماء وكأنها تمتدُّ إلى أعلى مثل رقبة الوحش، فلا يُعدُّ من الممكن تمييز أنها مجرد قطعة من الخشب. كما أن العنق قد يبدو وكأنه يهتزُّ كما لو كان الوحش يسبح في الماء.
طبقًا لبحَّارة القرون الوسطى، كان عرسان البحر عبارة عن وحوش ضخمة تخرج من قلب البحر. كان لهم أكتاف كالرجال، ولكن دون أيادٍ، وكان خصرهم نحيلًا. وبما أنه لم يرهم أي شخص عن قُرب على الإطلاق، فلم يكن يَعرف أحد ما إذا كان لهم جلد مثل جلد الإنسان أم قشور مثل قشور الأسماك. أما حوريات البحر فقد كن يتشابهْن مع أمثالهنَّ من الذكور، ولكن كان لهن أثداءٌ وشعرٌ ثقيل وأيادٍ ذاتُ أصابع متلاصِقة وذيولٌ. كيف يُمكن أن تظهر مثل هذه الكائنات الخارقة؟ ولماذا لم يعد يُسمَعُ عنها أي شيء عندما بدأ استخدام السفن ذات الأسطح المرتفعة؟
يُعتبَر أجمل أنواع السراب هو سراب «فاتا مورجانا» الذي تبدو فيه الأجسام البعيدة على شكل أبراج أحد قِلاع القصص الخرافية. تقول الأسطورة إنَّ القلعة هي المنزل البلوري للجنِّية مورجانا. في بعض الحالات يُمكن أن يوهم سراب مماثل بأن الأشخاص البعيدين يسيرون على الماء الذي يفصل بينك وبينهم.
في عام ١٥٩٧ عندما علق طاقم القبطان وِليم بارنتس على جزر نوفا زيمليا التي تقع في المحيط المتجمِّد الشمالي أثناء عملية البحث عن المَمرِّ الشمالي الشرقي، رأى بعضهم أول ظهور للشمس بحلول نهاية الظلام الشتوي الطويل، وذلك على الرغم من أن الشمس كانت لا تزال تحت الأُفق ﺑ ٤٫٩ درجات مئوية، فكيف تمكَّنوا من رؤيتها؟ غالبًا ما تكون مثل هذه الصور السرابية للشمس مشوَّهة بشدة بحيث تبدو الشمس على هيئة كومة من الفطائر. عادةً ما تظهر تلك الصور في «نافذة» مُظلِمة تتوسَّط السماء، وتكون السماء أكثر سطوعًا أعلاها وأسفلها.
«تأثير هيلينجر» هو أحد أنواع السراب الذي يبدو وكأنه يَرفع الأفق (عند البحر عادة) بحيث يبدو مسطَّحًا أو على هيئة طبق. يُصبح الأفق أثناء «تأثير هافجيردنجر» (وهي كلمة أيسلندية تعني «أسوار البحر») غير مُنتظِم الشكل كما لو كان محاطًا بهياكل رأسية موضوعة عشوائيًّا.
على الطريق السريع رقم ٩٠ بالولايات المتحدة، بالقُرب من مارفا بولاية تكساس، أفاد مراقبون بظهور مستمر لأضواء متحرِّكة ليلًا. تمتد هذه الأضواء المتذبذبة التي تُعرف باسم «أضواء مارفا» بطول السماء حتى منطقة ميتشيل فلات إلى جنوب الطريق السريع مباشرة.
كيف تتشكَّل هذه الأنواع المختلفة من السراب؟
قد ترى صورًا متعدِّدة أو صورة واحدة مُمتدة لا يُشبه أي منهما قطعة خشب، ويرجع ذلك إلى الاختلاف الفعلي في درجة الحرارة مع الارتفاع. إذا تفاوَتَ الانكسار بسبب التغيُّرات السريعة في توزيع درجة الحرارة، فقد يبدو الجسم الذي يُشبه الأفعى في الماء وكأنه يَسبح. وعندما يظهر سراب مثل هذا، فإنه يظهر فوق مصدر الضوء وهو ما يُطلَق عليه اسم «السراب العلوي».
تدعم الإحصائيات إمكانية أن يكون وحش بحيرة لوخ نيس سرابًا. فقد وقعت حوالي ٧٧٪ من مشاهدات هذا الوحش في الفترة من شهر مايو حتى شهر أغسطس عندما تسخن المياه ببطء أكبر من الهواء، ما يؤدِّي إلى زيادة في درجة حرارة الهواء مع الارتفاع. بينما وقعت حوالي ٨٤٪ من المشاهدات عندما كانت المياه هادئة نسبيًّا، وهو شرط آخر يُعزِّز توافره رؤية أحد أشكال السراب الأعلى. علاوةً على ذلك، فالأشخاص الذين ذكروا هذه الملاحظات كانوا موجودين بالقرب من مستوى المياه؛ حيث يَعترضون الأشعة المنكسرة.
أما بالنسبة لحوريات وعرسان البحر، فقد كانوا على الأرجح صورًا ممتدَّة ومشوشة لحيوانات الفظ وللحيتان كما رآها البحارة الذين كانوا موجودين بالقرب من سطح الماء. يختفي السراب إذا كان المراقبون قريبين جدًّا من الحيوانات أو مرتفعين جدًّا عنها بحيث لا يَستطيعون اعتراض الضوء الذي ينكسر ويخلق السراب. لذا، بعدما زاد ارتفاع السفن عن سطح الماء، قلَّت الإفادات المتعلقة برؤية هذه الكائنات الأسطورية.
يرجع ظهور سراب الفاتا مورجانا إلى انكسار الضوء الذي يُطيل عموديًّا صورة الأجسام الصغيرة البعيدة بحيث تبدو وكأنها أبراج أو جدران. على سبيل المثال، إذا رأيت شخصًا بعيدًا فوق كتلة مائية متوسِّطة الحجم، فقد تصبح هذه الصورة صورة سرابية عُلوية، عندئذٍ، سترى معظم جسم الشخص البعيد كصورة مرفوعة، بينما ستبدو القدمان، غير المرئيتين، مغمورتين في الماء كما لو كان الشخص يسير فوق الماء.
يُمكن أحيانًا رؤية الجبال، الأبعد من أن تُرى بالعين مباشرة، عن طريق السراب إذا انكسرت بعض أشعة الضوء الصادرة منها حول انحناء الأرض. كما يُمكن أن تُوجَّه صور الشمس أيضًا حول الانحناء. المثال الأبرز هو سراب نوفايا زيمليا الذي تَنكسِر فيه الأشعة الضوئية إلى الأسفل على ارتفاع عالٍ وتمرُّ أمام سطح كوكب الأرض وتعود إلى ارتفاعات عالية، ثم تَنكسر إلى أسفل مرة أخرى، كما لو كانت مقيدَّة بأنبوب كبير مقوَّس. وبالرغم من أن الصورة المُوَجَّهة إلى الشمس تظل ساطعة رغم انتقالها الطويل عبْر الغلاف الجوي، إلا أنَّ أجزاء السماء المحيطة تُصبح مظلمة بسبب التشتُّت الذي تُحدثه جزيئات الهواء، فتنتهي الحال بهذه الأجزاء إلى أن تُصبحَ نافذة مظلمة حول صورة الشمس. والمناطق الأكثر سطوعًا فوق وأسفل هذه النافذة هي أجزاء من السماء القريبة.
يتضمَّن تأثيرا هيلينجر وهافجيردنجر انكسار الضوء إلى أسفل أيضًا بفعل الهواء الذي تَزداد درجة حرارته مع الارتفاع. يتضمَّن تأثير هافجيردنجر وجود بقع غير منتظمة من درجة حرارة الهواء، بينما يتطلَّب سراب نوفايا زيمليا وسراب هيلينجر توزيع درجة حرارة الهواء بحيث تكون مُستقرَّة على نطاق واسع.
يكون الانكسار الجوي للضوء ليلًا مسئولًا عن ظهور مجموعة من الأضواء الغريبة سريعة الزوال مثل أضواء مارفا. يُمكن أن تكون مصادر تلك الأضواء نجومًا أو كواكب تقع بالقرب من الأفق (حيث تكون الصور صورًا سرابية دونية) أو أضواء المصابيح الأمامية لسيارة أو قطار بعيد (حيث تكون الصور صورًا سرابية عُلوية). أضواء مارفا هي مثال على سراب أضواء المصابيح الأمامية للسيارات الذي ينتج من السيارات البعيدة التي تتَّجه نحو مارفا على طريقٍ سريع يمر عبْر منطقة ميتشيل فلات. يجب على مراهقي مارفا أن يكونوا شاكرين لهذا المثال الحي لعلم البصريات؛ لأنه يَمنحهم عذرًا جاهزًا ليُوقفوا سياراتهم في الظلام بطول الطريق السريع رقم ٩٠.
(٣١) شبحٌ يَختبئ وسط الأزهار
هل يُمكنك تفسير ظهور صورة شبحية في القصة التالية؟ في عصر أحد الأيام الحارة، كانت سيدة تجمع الزهور من فوق الأرض المُشبعة بالبخار بينما كانت الشمس مائلة قليلًا إلى الجانب. فجأة، لاحظت السيدة حركة أمامها، ولكنَّها أدركت شيئًا فشيئًا أنها كانت ترى صورة مفصَّلة وملوَّنة لنفسها. ومن نافلة القول أنَّ رؤية هذا الشبح سرعان ما أثارت حفيظة السيدة فهرَبَت على الفور.
(٣٢) النجوم المُتلألئة الراقصة
لماذا عندما ترى جسمًا بعيدًا عبْر الهواء فوق النار أو فوق سطح ساخن، مثل طريق مضاء بنور الشمس، تهتزُّ صورة هذا الجسم، وهو التأثير الذي يُطلَق عليه اسم «التراقُص البصري»؟ لماذا تُصبح رؤية هذا التذبذب أكثر صعوبة فوق الطريق عند قدمَيك عنها في الطريق الأبعد؟
لماذا تتلألأ النجوم؟ هل تتلألأ أكثر في الصيف أم الشتاء؟ لماذا يتغيَّر لونها في بعض الأحيان؟ لماذا لا يتلألأ القمر ولا الكواكب؟ وإذا كنت في الفضاء وتنظر إلى النجوم، فهل ستَتلألأ أيضًا؟
كي يكون تأثير التراقُص ملحوظًا للعين فلا بد أن تقطع أشعة الضوء مسارًا طويلًا عبر طبقة الهواء الساخن والمُضطرِب. إذا نظرت بشكل شبه عمودي إلى سطحٍ ساخن مثل الرصيف، فإن الأشعة التي تستقبلها تكون قد قطعت مسافة قصيرة جدًّا من خلال الاضطراب بحيث لا تظهر بشكل متراقص. أما إذا نظرت إلى السطح برؤية مائلة، فستكون الأشعة قد قطعت مسافات أبعد بكثير عبْر الاضطراب؛ ومِن ثَمَّ يُمكِنُك أن ترى التأثير المتراقص الذي تحدثه. عادةً ما يعني هذا الشرط أن السطح الساخن لا بد أن يكون بعيدًا، كجزء بعيد من الطريق على سبيل المثال. وحتى في هذه الحالة قد لا يكون التأثير المتراقص ملحوظًا إذا كان سطح الطريق مُتجانسًا. يكون التأثير المُتراقِص أكثر وضوحًا إذا كان الطريق به نمط خطوط متمايلة.
في بعض الأحيان ترى تأثيرًا مرتبطًا بذلك التراقص، إذ يُمكن أن تظهر ظلال معتمة عابرة على سطح أبيض مسطَّح؛ وذلك لأنَّ الهواء المضطرب يكسر ضوء الشمس الذي يمرُّ عبره. في بعض الأحيان، يركز الانكسار ضوء الشمس على رقعة ساطعة نسبيًّا، وأحيانًا يزيد من وهج أشعة الشمس، بحيث تنتشر مُشَكِّلَةً رقعة مظلمة نسبيًّا. يُمكن أن يُؤدِّي النسق غير المُستقر للهواء الدافئ الذي يتدفَّق تحت الهواء البارد أيضًا إلى تكوين ظلال مُعتِمة ومُتراقِصة. وبما أن الهواء الدافئ يكون أقل كثافة من الهواء البارد، فيكون الحد بين درجتي الحرارة المُتفاوتتَين غير مستقر ويميل إلى تكوين أشكال تشبه الموجات يُمكنها تركيز الضوء في بعض المناطق ونشره في مناطق أخرى.
تغير صور مشابهة لانكسار ضوء النجوم بواسطة الغلاف الجوي، ظاهريًّا، موقع النجم سريعًا وبشكل طفيف. تكون الحركة الظاهرية مرئية لأن النجم، من زاوية رؤيتك، يكون عبارة عن نقطة ساطعة في قلب خلفية مظلمة. علاوةً على ذلك، تُغيِّر تباينات طور موجات الضوء التي تصل إليك. عندما تصل موجات الضوء بالتوافق بعضها مع بعض (متجانسة)، يكون تداخُلُها تداخلًا بنَّاءً ويكون النجم أكثر سطوعًا؛ أما عندما تكون خارج الطور التوافُقي، فيكون تداخلها تداخلًا هدَّامًا ويكون النجم في أكثر حالاته إعتامًا.
يَختصر نظامك المرئي صورة النجم خلال فترة زمنية قصيرة، ولكن تظل الاختلافات في وضعِ النجم ودرجة سطوعه مرئية. أما إذا كنتَ في الفضاء، فلن تتلألأ النجوم، ولكنها ستظل تبدو وكأن لها رءوسًا صغيرة؛ وذلك لأن الضوء يتشتَّت داخل عينَيك.
أما القمر والكواكب فيَشغلان حيزًا كبيرًا في رؤيتك بما يمنع تلألؤهما. فعلى الرغم من أن كل نقطة من القمر، على سبيل المثال، تتلألأ كما تتلألأ النجوم تمامًا، فإن هذه النقاط ليسَت نقطة واحدة مَعزولة من الضوء في قلب خَلفية مظلمة؛ ومن ثَم يكون التذبذُب غير ملحوظ.
تتلألأ النجوم بصورة أكبر في فصل الصيف؛ نظرًا لأن الجو المحيط يكون أكثر تقلبًا بسبب التسخين الإضافي الذي تحدثه الشمس أثناء وقت النهار.
إذا كان النجم قريبًا من أفق صافٍ، فقد يُصبح لونه متقلبًا كذلك. يَسمح المرور الطويل لضوء النجم عبْر الغلاف الجوي لجزيئات الهواء والغبار والهباء الجوي بتشتيت بعض الألوان المُكَوِّنة للضوء؛ ولا يُصبح النجم حينئذٍ بلونه الأصلي، الذي قد يكون أبيض. تتسبَّب التغيرات المستمرة في عملية تشتُّت الضوء في تغيير اللون الذي نراه.
(٣٣) شرائط الظل
لعدَّة دقائق قبل وبعد أي كسوف كلي للشمس، يمكن أن تُغطَّى الأرض بشرائط باهتة ومموجة، عرض كلٍّ منها بضعة سنتيمترات. يفيد بعض المراقبين أن الشرائط هذه تتحرك. فما الذي ينتج الشرائط؟
في عام ١٩٤٥، أبلغ رونالد آيفز عن شكل آخر من أشكال الشرائط المظلمة الفرقة، والذي رصده في ست مناسبات مختلفة، بينما كان ينظر إلى أسفل من نقطة مرتفعة على الأراضي المسطحة أثناء غروب الشمس. كانت الأشرطة بعرض عدة كيلومترات وكانت تنتقل بسرعة ٦٠ كيلومترًا في الساعة. فما الذي أنتج هذه المجموعة من الشرائط؟
على الأرجح، يعود حدوث ظاهرة الشرائط المظلمة النادِرة، هذه والتي لم تُدْرَس إلا بالكاد، إلى تركيز وتشتُّت أشعة الشمس بفعل الاضطراب الموجود في الغلاف الجوي. كانت تلك الشرائط مرئية لآيفز لأن غروب الشمس كان يقلص الجزء المرئي من الشمس، كما هي الحال في الكسوف. لم يكن آيفز ليلحظ تلك الشرائط إذا كان موجودًا على مستوى الأرض.
(٣٤) حلقة زاوية الاثنتين والعشرين والشمس الكاذبة
تكون الشمس محاطة أحيانًا بدائرة ساطعة قد يكون لونها أحمر بطول حافتها الداخلية، وأزرق بطول حافتها الخارجية. تُساوي الزاوية بين الدائرة ومركزها ٢٢ درجة؛ لذا تُعرف هذه الظاهرة باسم «حلقة زاوية الاثنتين والعشرين». (يُمكنك قياس هذه الزاوية بسهولة: افتح يدك ومدَّ ذراعك نحو الشمس على أن تكون راحة يدك موجَّهة إلى الخارج. الجزء الذي تراه من السماء بطول خط مستقيم بين أطراف أصابعك والإصبع الصغيرة يشغل حوالي ٢٢ درجة.) أحيانًا ما تكون الشمس محاطة من أحد الجوانب، أو من الجانبَين، ببقعة مشرقة ذات لون برَّاق، وتُسمى هذه البقعة الساطعة ﺑ «الشمس الكاذبة». ما الذي يتسبَّب في ظاهرة حلقة زاوية الاثنتين والعشرين والشمس الكاذبة؟
قد تكون الحلقة ملوَّنة؛ وذلك لأن الانكسار الذي تُحدثه البلورات يفصل الألوان في ضوء الشمس الذي يكون أبيض اللون في البداية. ينكسر الضوء الأحمر بدرجةٍ أقل قليلًا من الضوء الأزرق، فتنتهي الحال بأقصى درجات اللون الأحمر سطوعًا بالظهور داخل الحافة الداخلية من الحلقة.
تَرجع ظاهرة الشموس الكاذبة أيضًا إلى الانكسار الذي تُحدثه البلورات السداسية، إلا أن البلورات في هذه الحالة تكون مسطحة بدلًا من أن تكون عمودية. تسقط هذه «البلورات الصفيحية» وقمَّتها تتَّجه إلى أسفل وتكون في حالة اهتزاز. تعيد تلك البلورات توجيه الضوء نحوك فقط إذا كانت تقع بطول خط أفقي تقريبًا عبْر الشمس؛ لذا تقع الشموس الكاذبة إلى اليسار واليمين من الشمس. عندما تكون الشمس مُنخفِضة، تكون الشموس الكاذبة على بُعد حوالي ٢٢ درجة منها؛ بينما تكون الشموس الكاذبة أبعدَ عن الشمس قليلًا عندما تكون الشمس أعلى. عادةً ما تكون الشموس الكاذبة ملوَّنة بسبب عملية فصل الألوان التي تُحدثها البلورات، ويكون الجزء الأحمر هو الأقرب إلى الشمس.
يُمكن أن تظهر حلقة زاوية الاثنتين والعشرين والشموس الكاذبة حتى أثناء الصيف؛ وذلك لأن بلورات الثلج تظلُّ قادرةً على التشكُّل في الهواء البارد العالي الارتفاع.
(٣٥) سماء تمتلئ بالحلقات والأقواس والبُقَع المضيئة
أحد المناظر التي تُرى عادةً هو «عمود من الضوء» يمتد فوق الشمس أو القمر أو أسفلهما. قد تكون قادرًا على رؤية مثل هذه الأعمدة التي تمتد في سماء الليل قادمة من المصابيح التي تُحدِّد الشوارع أو مواقف السيارات.
عندما تكون مسافرًا في طائرة، قد ترغب في البحث عما يُعرف باسم «الشمس الثانوية»، وهي نقطة مضيئة تقع أسفل صورة الشمس وتبدو وكأنها تتبع حركة الطائرة.
ما سبب هذه المظاهر المختلفة؟
يُمكن أن يُعزى ظهور عمود الضوء الذي يمتد فوق الشمس أو القمر أو أسفلهما إما إلى البلورات الرصاصية وإما إلى البلورات الصفيحية، ولكن الأخيرة تكون مسئولة عن حدوث هذا الأمر فقط عندما تكون الشمس منخفضة أو القمر. في هذه الحالة، ينعكس الضوء إليك من الوجه المسطح للصَّفائح أثناء تساقطها إلى الجانب تقريبًا. تلطخ التقلُّبات الطفيفة في اتجاهات البلورات المنطقة التي تتلقَّى أنت الضوء منها؛ ومِن ثَمَّ تُشكِّل العمود. عندما تكون الشمس أو القمر أعلى، يرجع ظهور العمود إلى الضوء الذي يَنعكِس من جوانب البلورات الرصاصية التي تسقط بمِحوَرِها الطويل أفقيًّا. عند كل نقطة على طول كل عمود من الأعمدة، تكون بعض البلورات مائلة بما يَكفي لتعكس ضوء الشمس تجاهك. ويُشكِّل مجموع هذه الانعكاسات العمود.
أما الشمس الثانوية فهي في الواقع نسخة من عمود الضوء، والاختلاف الوحيد هو أنك تنظر إلى البلورات الصفيحية في هذه الحالة. عندما تكون جميعها على نسقٍ أفقي تقريبًا، فإنها تنتج صورة للشمس تُشبه صورة المرآة.
(٣٦) ظلال الجبال
عندما تقف أسفل قمة الجبل مباشرةً وفي منطقة ظل الجبل، فإنك تَنظُر عبْر الهَبَاء الجوي الظليل (بدلًا من أن تنظر إليه من أعلى). وإذا وقفتَ في وسط ظل الجبل بالضبط، تظل قمة جانبَي الظل مدبَّبة الشكل وتمتدُّ بعيدًا عنك مباشرة، ولكن نهاية الظل قد يبدو أنها تمتد إلى الأعلى. أما إذا انتقلت من المركز إلى يسارك على سبيل المثال، فأنت بذلك تزيح القمة وظلَّها إلى يمينك. علاوة على ذلك، بما أنك ترى الظل عبْر الهباء الجوي، ففرصة إزاحة أي جزء من الظل تزداد مع ابتعاد هذا الجزء عنك. وبذلك يكون ظل القمة هو الأكثر إزاحة كونَه الأبعد. عندما تتبع الظل المدبب الذي يمتدُّ بعيدًا عنك، ستجده لا يَنحني فقط إلى الأعلى، بل يميل إلى اليمين أيضًا مكوِّنًا شكلًا يُشبه المسمار عند نهايته.
(٣٧) ظلال السحب المتلاشية
لنفترض أنك تُحلِّق فوق المحيط بينما تنتشر السحب الركامية بعرض السماء. لماذا ستتمكَّن من رؤية ظلالها إذا كنت تجلس على جانب الطائرة الذي تُضيئه الشمس، ولكنك لن تراها إذا كنت تجلس على الجانب المقابل؟
أما على الجانب الآخر من الطائرة، فيكون انعكاس الضوء وتشتُّته في المقام الأول بعيدًا عنك. وعلى الرغم من أن بعض الضوء المعترَض يكون انعكاسًا للسماء، فمعظمه يكون «ضوءًا صاعدًا»؛ ألا وهو الضوء القادم من الشمس ومن السماء، والذي يَخترق سطح الماء ثم يتشتَّت مرةً أخرى عبْر سطح الماء بواسطة المواد المعلقة (أو القاع). عندما تلقي سحابة بظلالها على هذا الجانب من الطائرة، فإنها لا تُقلِّل من عملية صعود الضوء في المنطقة الظليلة لأنَّ بقية السماء لا تزال تضيء تلك المنطقة. وهكذا، لا يُمكنك رؤية الظل. ومع ذلك، إذا انحرف الظل من الماء إلى الأرض، فإنه يُصبح ملحوظًا فجأة. حينئذٍ لا تكون هناك عملية صعود للضوء، ويكون الضوء الوحيد الذي تَعترِضه من الأرض هو ضوء الشمس الذي يتشتَّت من الأرض (وليس الضوء القادم من السماء). تَحجُب السحابة ضوء الشمس في المنطقة الظليلة وتمنع هذا التشتُّت من الحدوث؛ ومن ثَم ستتمكَّن من رؤية الظل.
(٣٨) ألوان مياه المحيط
لا يكون لمياه المحيط لون واحد؛ فقد يتنوع لونها من لون السماء الأزرق الصافي إلى اللون الرمادي للسماء الملبَّدة بالغيوم. وفي بعض الأحيان قد تكون بيضاء أو ضاربة إلى الحُمرة، أو قد تكون ذات لون أخضر مُزرَقٍّ، أو خضراء أو صفراء. بل بين الحين والآخر قد تكون بُنِّيَّة اللون. فما السر وراء هذه الألوان؟ ولماذا يَعتمِد اللون غالبًا على زاوية رؤيتك لسَطح المحيط؟
بينما تَسبح في المياه العميقة، أمسِك بجسمٍ أبيض مُستوٍ أفقيًّا. لماذا يَختلِف لون السطح العلوي للجسم عن لون سطحه السفلي؟
في ظروف أقل مثالية، يُمكن أن تغير المواد العالقة لون المياه من خلال امتصاص أو تشتيت ألوان بعينها من الضوء انتقائيًّا. وبالمثل، يُغير السطحُ السُّفليُّ اللونَ عن طريق الامتصاص الانتقائي، شريطة أن يكون الماء ضحلًا بما يَكفي بحيث يكون الضوء القادم من الأسفل ملحوظًا.
تؤثر السماء قليلًا في لون المياه. إذا كانت السماء زرقاء، فقد تبدو المياه أكثر زُرقة؛ وذلك لأنك تعترض بعضًا من ضوء السماء الذي يَنعكس منها. وبالمثل، إذا كانت السماء رمادية اللون، فقد يُصبح لون المياه رماديًّا بدوره. ومع ذلك، إذا وقفت في مواجهة الوهج اللامع القادم من صفحة الماء في يومٍ مشمس، فستجد على الأرجح أن الماء يبدو أبيض اللون؛ وذلك لأن معظم الضوء الذي تعترضه يكون ضوء الشمس الذي ينعكس من المياه مكوِّنًا ذلك الوهج.
الضوء الذي يضيء السطح العلوي للجسم الأبيض المغمور في المياه له لون داكن؛ وذلك لأن الامتصاص والتشتُّت يُغيِّران طبيعة الضوء أثناء انتقاله إلى أسفل عبْر الماء. يتغيَّر لون الضوء الذي يضيء السطح السفلي بصورة أكبر؛ لأن الضوء يَنتقِل عبْر الماء لمسافة أبعد (إلى أسفل ثم إلى أعلى مرةً أخرى)؛ لذا، تَختلف الدرجات اللونية للسطحَين العُلوي والسفلي.
(٣٩) انعكاس لمعان الشمس والقمر
ما الذي يُفسِّر شكل المنطقة الساطعة التي تكون موجودةً على المسطَّحات المائية عندما تكون الشمس منخفضة أو يكون القمر منخفضًا فوق الماء؟ كيف يتغيَّر الشكل مع تغيُّر ارتفاع الشمس أو القمر؟
عندما يكون القمر قريبًا من الأفق نسبيًّا، فقد ترى مثلثًا مظلمًا فوق المنطقة المضيئة على الماء، فما الذي يتسبَّب في تكوُّن هذا المثلَّث المظلم؟
يُحتمل أن يكون المثلث المظلم الذي يقع فوق مسار اللمعان القمري وهمًا نتيجةً للتباين؛ إذ إن مسار اللمعان أسفل الأفق مباشرةً يقع بجوار السماء المُظلمة فوق الأفق مباشرة.
(٤٠) حلقات الضوء
عادةً ما تتشوَّه الصور التي تعكسها الأمواج على سطح الماء بسرعة بالغة، بحيث لا يمكنك تمييزها، ولكن يمكنك التقاط صورة ثابتة لها من خلال استخدام كاميرا ذات غالق سريع. إذا فرضنا أنك تقوم بتصوير انعكاس صاري السفينة، فقد تجد في الصورة أن هذا الجزء من الصاري عبارة عن خطٍّ مُتعرِّج، بينما تشكل الأجزاء الأخرى حلقات منفصلة ومُغلَقة. قد لا يصعب تفسير السبب وراء الصورة المتعرِّجة، ولكن ما الذي يُنتِجُ الحلقات؟ هل يمكن أن توجد حلقات منفصلة وغير مكتملة؟ تُشكِّل الأجسام الأخرى أيضًا انعكاسات غريبة؛ فبعض الأجزاء من الأرض ينتج عنها صور تُعرف باسم «البِرَك الأرضية» (بُقَع منفصلة من صور الأرض)، بينما ينتج عن بعض أجزاء السماء صور تُعرف باسم «البِرَك السماوية».
(٤١) الظلال والألوان التي تنعكس على صفحة الماء
لماذا يُمكنك رؤية ظلك في بِركة موحلة أو في بِركة ضحلة صافية ولكن لا يُمكنك ذلك في بِركة عميقة وصافية؟ لماذا يجب أن تكون المياه مُوحلة للغاية حتى ترى ظلال الأشخاص الآخرين؟
بينما تُلقي بظلٍّ على سطح مائي ذي موجات صغيرة عشوائية الاتجاه، افحَصِ السَّطح الذي يُحيط بظل رأسك. تمتد خطوط ساطعة من الظل تُشبه شعاع العجلة، كما وصفها الشاعر والت ويتمان بشكلٍ جميل في قصيدة «عبور قارب بروكلين» بديوانه «أوراق العشب». فما الذي يتسبَّب في ظهور شكل شعاع العجلة هذا؟
في مياه صافية يبلغ عمقها حوالي متر تقريبًا، افحص حافات بقع الضوء التي تشكَّلت في الجزء السفلي بواسطة ضوء الشمس الذي ينسلُّ عبْر أوراق الشجر بالأعلى. إذا كانت الشمس خلفك، فستكون البُقَع بيضاء. أما إذا كنتَ تواجه الشمس، فسيكون للبقعِ حافات ملونة ذات لون أحمر على الجانب القريب ولون أزرق على الجانب البعيد. فما السبب وراء ظهور هذه الألوان، ولماذا يعتمد شكلها على اتجاه وقوفِك؟
يكون تبايُن ظلك مع ما يحيط به أضعف إذا كان الماء الصافي أعمق؛ وذلك لأن السطح السفلي لم يعد يُشتِّت الضوء بقوة تجاهك. ومع ذلك، إذا كان الماء عكرًا نسبيًّا، يُصبح ظلُّك ملحوظًا أكثر؛ وذلك لأن الضوء يَتشتَّت تجاهك من المواد العالقة في الماء الموجود حول ظلِّك. حينئذٍ يصبح ظلك ثلاثي الأبعاد بدلًا من أن يكون انعكاسًا مسطحًا على الرصيف. ولهذا السبب قد لا تكون قادرًا على رؤية ظلِّ شخص آخر لأنَّك عندما تنظر إليه، يكون منظور رؤيتك بطول مسار مائل عبْر كلٍّ من المنطقتَين المضاءة والظليلة من الماء. إذا زادت تدريجيًّا عكارة الماء بحيث يرتفع الظل تدريجيًّا نحو سطح الماء، وإذا كان الماء موحلًا بشدة، فسيَنعكِس الظل على السطح ويُرى بسهولة.
عندما تتحرك الأمواج فوق الماء الصافي نسبيًّا، تُرَكِّزُ الأمواج الضوء داخل الماء حيث تُشتِّته المواد العالقة حينئذٍ خارج الماء مرة أخرى. إذا اعترضتَ هذا الضوء المُشتَّت، سترى خطوطًا ساطعة حيث يكون الضوء متركزًا، وخطوطًا قاتمة حيث لا يكون كذلك. تقع الخطوط بموازاة خط يفصل بين الشمس وعينَيك. ومن ثَم ستبدو وكأنها تتلاقى عند النقطة المقابلة للشمس مباشرة (أو يشعان إلى الخارج منها)؛ أي داخل إطار ظل رأسك. (يُشبه شكلها التلاقي الظاهري لقضيبَي السكك الحديدية عندما تنظر إليهما على امتداد البصر). يُعتبر الدوران الظاهري لأشعة الضوء التي تشبه شعاع العجلة مجرد وهم يفرض فيه دماغك نظامًا على نمطٍ عشوائي مُتغيِّر.
تظهر بقع الضوء في المياه الضحلة الصافية باللون الأبيض عندما تكون الشمس خلفك، على الرغم من أن ضوء الشمس في كل حزمة ضوئية يَنقسم إلى ألوان مختلفة بمجرَّد دخوله الماء. تصطدم الأشعة الحمراء والزرقاء الموجودة في أيِّ حزمة ضوئية بقاع بِركة الماء عند نقاط مختلفة وتتشتَّت في اتجاهات عديدة. ومع ذلك، فالأشعة التي تَعترضها عيناك لا بد أن تسير بطول طريقها الأصلي مرةً أخرى، ألا وهو اتجاه الشمس. وهكذا، تمتزج الألوان مرةً أخرى عند خروجها من الماء، ومن ثَم فأنت تعترض الضوء الأبيض وترى بقعة بيضاء على قاع البِركة.
(٤٢) لون ظلك
إذا تأملت لون ظلك على ثلجٍ حديث، فمن الممكن أن تجده ملوَّنًا. فما السبب في تلون الظل؟ وهل من المُمكن أن يختلف اللون؟
(٤٣) رؤية الجانب المظلم للقمر
عندما يكون ٧٥ في المائة من جزء القمر المواجه لك مضيئًا بفعل ضوء الشمس، لماذا تستطيع رؤية الجزء المتبقِّي البالغة نسبته ٢٥ في المائة رغم عدم وجوده في ضوء الشمس؟
(٤٤) الهالة ولمعان التقابل
عندما تكون على متن الطائرة، ابحث عن الهالة على الأرض الواقعة عند نقطة ظل الطائرة (النقطة المقابلة للشمس مباشرةً). وبينما تُغطِّي نقطة الظل الحشائش والأشجار والأراضي الخلاء والرصيف والسحب، تظهر الهالة وتختفي. إذا كنت قريبًا من الأرض فمن الممكن أن ترى ومضات ضوء ساطعة تظهر فجأة داخل الهالة. وإذا كنت فوق الأرض فمن الممكن أن ترى خطًّا داكنًا رفيعًا يمتدُّ من الهالة. فما الذي يُنتج الهالة والومضات الساطعة والخط الداكن؟
عند إضاءة نباتات معيَّنة مُغطَّاة بالندى ليلًا باستخدام كشَّاف وامِض أو وميض كاميرا، فإن الشخص الذي يَحمل الكشَّاف أو المصباح الوامض سيرى النباتات متوهِّجة، في حين أن الشخص الواقف بعيدًا عند الجانب لن يرى ذلك التوهج. فما سبب هذا التوهج، ولماذا لا تتوهج كل النباتات بهذه الطريقة؟
وبمجرد اكتمال القمر يزداد سطوع أي منطقة مضيئة على سطحه فجأة، ويُطلَق على هذه الظاهرة «لمعان التقابُل». في الحقيقة، من الممكن أن تصبح هذه المنطقة أكثر لمعانًا بنسبة ٢٥ في المائة عندما يكون القمر بدرًا مقارنة بأي يوم سابق أو لاحق. فما السبب في هذه الزيادة المُفاجِئة في ضوء الشمس الذي يُشتِّته سطح القمر؟ (قبل أن يَهبط رواد الفضاء على القمر، كانت وكالة ناسا قلقة من أن يتسبَّب تشتُّت ضوء الشمس العائد من تربة القمر في عمًى لرواد الفضاء على القمر إن لم تكن خوذاتهم مزوَّدة بحاجز واقٍ مناسِب يُمكِّنُهم من الرؤية.)
عند جز الحشائش أو ملعب رياضي بطريقة معينة، يُشبه العشب رقعة الشطرنج بمربعاتها الفاتحة والقاتمة. فما السبب في هذا الاختلاف في السطوع؟ هل للقَول المأثور «العشب أكثر اخضرارًا عند الجانب الآخر من السور» أي قيمة علمية؟
أما الهالة المحيطة بالأرض الجافَّة فمن المُمكن أن يكون سببها الانخفاضات الصغيرة في الأرض التي تتَّخذ شكلًا أشبه بالأركان قائمة الزوايا. هذه المناطق تعكس الضوء مرة أخرى إلى مصدره، فتَعترض أنت بعضًا من هذا الضوء العائد. وقد تُسهم الأشكال والمواد الأخرى الموجودة على الأسطح في عودة إضافية للضوء، لا سيما عندما يكون السطح مساميًّا وبه «أنفاق». فعندما تنظر حول ظل رأسك ستجد ضوءًا مُشتَّتًا عائدًا لك عبْر دواخل الأنفاق لكنك لا تراه عندما تنظر بعيدًا إلى الجانب.
وعندما يكون العُشب مغطًّى بقطرات الندى من المُمكن أن يدخل الضوء إلى قطرة الندى، ويَنعكِس من السطح الخلفي ونصْل ورقة العشب ثم يترك القطرة عائدًا تقريبًا نحو الشمس. إذا نظرتَ إلى العشب المحيط بظلِّ رأسك فستعترض بعضًا من هذا الضوء العائد؛ ومن ثَم سيكون العشب ساطعًا. أما إذا نظرت على العشب الموجود على الجانب فلن تعترض أيًّا من الضوء العائد، ومن ثَم لن يكون العُشب هناك بنفس السطوع.
تركز القطرة الكروية ضوء الشمس على بُقعة صغيرة واقعة تقريبًا خلف السطح الخلفي. ويكون الضوء العائد أكثر سطوعًا إذا وُجد نصْل العشب عند نقطة التركيز، لكن عادةً ما ترتكز القطرة مباشرةً على النصل. رغم ذلك، تَكتسي أنواع معينة من الأوراق بشُعَيرات رفيعة يمكن أن تحمل القطرة فوق سطح الورقة نسبيًّا. وتعطي هذه الأوراق هالة ساطعة جدًّا.
عندما يُضيء مصباح كشَّاف قطرات الندى على النباتات يعود جزء من الضوء في الاتجاه العام للكشَّاف في صورة هالة. ويكون الضوء العائد أكثر سطوعًا إذا كانت القطرات شبه كروية. على الأوراق الشمعية لنباتات معيَّنة فتَميل القطرات إلى التحبُّب في صورة كريات؛ ومن ثَم عندما يُوجَّه شعاع الضوء على هذا النبات يبدو النبات مشعًّا مقارنةً بالنباتات الأخرى.
وأما الومضات الساطعة التي تراها داخل الهالة أثناء التحليق بالطائرة فتعود إلى «العواكس الرجعية» التي تكون عادةً حُبَيبات بلاستيكية أو زجاجية ترسل الضوء مرةً أخرى إلى مصدره. فعلى سبيل المثال، من المحتمل أن يحتوي دهان لافتة المرور على عواكس رجعية صغيرة مثبتة لإرسال الضوء من كشَّافات السيارة إلى قائدها مرةً أخرى كي يرى اللافتة بسهولةٍ ليلًا. وعندما يمرُّ ظل الطائرة على هذه اللافتة، فإنك تعترض جزءًا من الضوء الذي يرسله الدهان مرة أخرى إلى الاتجاه العام للشمس. أما الخط القاتم الذي يُصاحب الهالة أحيانًا فهو ظلُّ خطِّ التكثُّف «الخط النفاث» الذي تتركه الطائرة.
وإذا كانت الطائرة مُنخفِضة على نحوٍ يَسمح لك برؤية ظلها على الأرض، فقد تجد شريطًا ساطعًا محيطًا بظلها. من المُمكن أن يكون سبب هذا الشريط هو الضوء المشتَّت العائد إلى اتجاه الشمس العام من قطرات الماء الموجودة على النباتات (ومِن ثَمَّ الهالة) أو من الممكن أن تكون هذه القطرات محمولة في الهواء. ومع ذلك، من الممكن أن ترى شريطًا ساطعًا حتى مع عدم وجود قطرات الماء (كما هي الحال في الأراضي الجافة أو القاحلة). بالإضافة إلى ذلك، من المُمكن أن ترى شريطًا ساطعًا حول ظلِّ طائرة «أخرى»، وبالتأكيد من غير الممكن أن تكون قطرات الماء هي السبب في ظهور هذا الشريط. في هذه الحالة، يكون هذا الشريط الساطع وهمًا إدراكيًّا. عندما توجد منطقة قاتمة (مثل ظل الطائرة) بجوار منطقة أكثر سطوعًا في مدى رؤيتك، فإن جهازك البصري ينتج شريطًا ساطعًا (يعرف باسم «شريط ماتش») على طول الحد الفاصل بين المنطقتَين.
بعض أنواع النباتات الحزازية يمكنها أيضًا تشتيت الضوء بسطوع نحو الشمس وتُعزِّز موجات ذلك الضوء بعضها بعضًا. ومن الممكن أن ترى عودة ذلك الضوء الساطع إذا كانت نقطة ظلِّك ساقطة على نباتات حزازية بعيدة نسبيًّا، لكن يكثر عادةً رؤية ذلك الضوء في الصور الجوية المُلتقَطة لمناطق النباتات الحزازية.
أما تصميم الشطرنج الناتج عن تقليم الحشائش فيعود إلى اتجاه أنصال الحشائش الذي تتركه آلة جز الحشائش. ففي بعض المناطق تكون الأنصال موجَّهةً بحيث تعكس لك الضوء، وفي مناطق أخرى لا تكون كذلك، بل ترى بعض ظلالها.
قد يبدو العشب على الجانب الآخر من السور أكثر اخضرارًا؛ لأن زاوية النظر المائلة التي تنظر منها قد لا تكشف لك عن التُّربة البُنِّية السُّفلية التي تراها بسهولة عندما تنظر إلى الأسفل مباشرةً. (بالتأكيد يوجد درس عن الحياة والعلاقات في هذا المثل، لكني أتركه لك لتعرفه بنفسك.)
(٤٥) أمواج حقول الحبوب
في بعض الأحيان قد يبدو أنه توجد حركة موجية في حقول الحبوب والأعشاب الطويلة، فتبدو المناطق الساطِعة والقاتمة كما لو كانت تتحرَّك فوق سطح الحقل مثلما تتحرَّك الأمواج فوق سطح المحيط. تَختفي هذه الحركة التي تُشبه الأمواج إذا اقتربت كثيرًا من الحقل. فما سبب هذه الحركة؟
(٤٦) الهالة
إذا وقفتَ على جبل وأَولَيتَ ظهرك إلى الشمس ونظرت إلى الأسفل في الضباب الكثيف الذي يضيئه ضوء الشمس المباشر، فقد ترى نسقًا من الحلقات الملوَّنة حول ظل رأسك. يُطلق على هذا النسق «الهالة» أو «الهالة المقابلة» أو «قوس بروكن». من الممكن أن تشعر أنك قديس لأنك لن ترى أبدًا مثل هذا النسق حول رأس أحد الأصدقاء.
في الغالب يُمكن أن تشاهد الهالة عندما تُحلِّق فوق غيومٍ ممتدة. وتتكون هذه الهالة حول نقطةٍ في مواجهة الشمس مباشرةً. وإذا كانت الطائرة قريبة على نحوٍ معقول من الغيوم على نحو يمكنك من رؤية ظلها، فسوف تتمركز الهالة عند نقطة في الظل تُماثِّل موقعك في الطائرة. في الغالب تتخذ الهالة شكلًا دائريًّا لكن في بعض الأحيان من الممكن أن تتشوَّه كثيرًا ويُصبح شكلها بيضاويًّا. إذا كانت النقطة المقابلة للشمس تمر بين السحب والأرض على نحو متقطع، فسوف تأتي الهالة وتذهب وقد يحلُّ محلَّها في بعض الأحيان «هالة ساطعة» ناتجة عن ميل الأرض إلى تشتيت الضوء لتُعيدَه مرةً أخرى إلى الشمس.
فما سبب الهالة؟ وما تسلسل الألوان فيها؟ وكيف يعتمد الحجم الزاوي للهالة على حجم قطرات الشبورة أو السحب بالأسفل؟
ونموذج الحيود بالنسبة إلى القطرات الصغيرة في الهالة في غاية التعقيد. إليك هذا التفسير البسيط: يتكوَّن التشتيت من مُكوِّنَين ضوئيَّين. يتكون المكون الأول من موجات ضوئية تدخل القطرة وتنعكس داخليًّا ثم تخرج عائدة إلى الشمس. أما المكون الثاني فيتكون من موجات ضوئية تنزلق على السطح الخلفي للقطرة ثم تتوجه عائدة إلى الشمس. يتعرَّض هذان المُكوِّنان إلى التعزيز أو الإلغاء، ونتاج تداخُل القطرات الكثيرة يكون نسقًا من شرائط ساطعة دائرية، يسود فيها اللون الأحمر خارج النسق ويسود فيها اللون الأزرق داخل النسق.
يَعتمِد الحجم الزاوي للهالة على حجم القطرات، فكلما كَبُر حجم القطرات صَغُر حجم الهالة. تتباين أحجام القطرات عادةً عبْر نطاق واسع؛ ومِن ثمَّ تميل الألوان إلى التداخل ويُصبح من الصعب تمييزها. أما إذا كان النطاق ضيقًا، فمن الممكن أن نُميِّز الألوان ونرى أطيافًا كاملة عديدة (من الأزرق إلى الأحمر).
تتشوَّه الهالة فتُكوِّن شكلًا بيضاويًّا إذا كانت الشمس مُنخفضةً، وإذا كنت تشاهد الهالة ممتدة على جدار طويل من السحُب يتغير فيه حجم القطرات حسب المسافة التي تبعدها عنك.
(٤٧) الهالة الشمسية والهالة القمرية
الهالة منطقة ساطعة تُحيط بالشمس أو بالقمر. وتتكوَّن هذه المنطقة في بعض الأحيان من حلقات ملوَّنة. وقد لاحظتُ ذات مرةٍ هالةً قمرية مكوَّنة من مجموعتَين من الحلقات الملونة وأجزاء من مجموعة ثالثة خارجية، وكان منظرها ساحرًا. فما السبب في الهالة، وما هو تسلسل الألوان فيها؟ ولماذا تُصبح الألوان مرئيةً أحيانًا فحسب؟ وما الذي يُحدِّد حجم الهالة؟
والحلقات المحيطة بالشمس في لوحة «الكرم الأحمر» التي رسمها فنسنت فان جوخ ليس لها علاقة على الأرجح بالهالة، بل رسَمها ليُمثِّل الإشعاع. لقد اعتاد على رؤية هذه الحلقات حول مصادر الضوء نظرًا لتأثُّر رؤيته بالأعراض الجانبية لاستخدام نبات القمعية لأغراض علاجية بمُستوًى يُسبِّب السُّمِّية.
(٤٨) هالة الزجاج المتجمد
عند المرور على نافذة زجاجية متجمِّدة في ليلة باردة قد تجد أن المصابيح الداخلية محاطة بحلقات ملونة. فلماذا تظهر تلك الحلقات؟ ولماذا تكون محاطة بحلقة قاتمة؟
وإذا كانت النافذة المتجمِّدة مُتحرِّكة كما هي الحال في القطار، فمن الممكن أن ترى الهالة على كل مصدر ضوء مارٍّ، بحيث تبدو الهالة وكأنها تندفع أمامك. أما إذا كان مصدر الضوء يَرتعِش مثلما تفعل مصابيح الشوارع الزئبقية، فقد ترى أيضًا أشرطة رأسية ساطعة وقاتمة فوق الهالة.
(٤٩) السحب المُتَقزِّحة اللون
لماذا تتلوَّن بعض السحب بألوان باهتة مثل الوردي والأخضر في أغلب الأحيان؟
ونظرًا لأن الضوء يحيد في الاتجاه الأمامي بصورة أساسية، فيجب أن تكون السحابة محاذية تقريبًا لمنظورك للشمس كي تحجب بعض الألوان. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون السحابة رقيقةً (رفيعة) وإلا فسيحدث انتشار الألوان في كل مرة يمرُّ فيها الضوء عبْر السحاب لدرجة تجعل الألوان شديدة التداخل بما يحولُ دون تمييزها. وفي السُّحب السميكة فلا تظهر الألوان إلا عند الحواف الرفيعة.
(٥٠) القمر الأزرق
تعيش جدتي في بلدة في تكساس، وهي بلدة صغيرة للغاية لدرجة أنه، حسب قولها، لم يَحدث فيها أمر مُثير للاهتمام إلا حين حل «قمر أزرق». فما هو القمر الأزرق؟
(٥١) أضواء الضباب الصفراء
هل تستطيع أضواء السيارة الصفراء أن تخترق الضباب على نحوٍ أفضل من الأضواء البيضاء؟
(٥٢) قتامة الرمال المبتلَّة
لماذا تكون الرمال وهي مبتلَّةٌ أكثرَ قتامةً منها عند جفافها؟ لماذا الشعر المبلول أغمق من الشعر الجاف؟ ولماذا أثناء القيادة على الطريق ليلًا دون وجود إضاءة من مصابيح الشوارع، تكاد تختفي خطوط الطريق الملوَّنة أثناء المطر؟
(٥٣) ألوان الجليد والثلج
لماذا عادةً ما يكون لون الثلج أبيض، ولماذا يكون لون الحُفرة المحفورة في الثلج أزرق في بعض الأحيان؟ وما هو لون الجليد؟ ولماذا تبدو الكُتَل الجليدية في القطب الجنوبي خضراء في بعض الأحيان بينما لا تبدو الكُتَل الجليدية في القطب الشمالي خضراء أبدًا؟
تتلون أجزاء كبيرة من الجليد، كما هي الحال مع الجبال الجليدية، باللون الأزرق إذا انتقَلَ الضوء لمسافة متر تقريبًا عبْر الجليد، إما من جانب لآخر وإما فقط من خلال الارتداد من الجانب الأول بعد التشتُّت من الشوائب الداخلية. إلا أن بعض الجبال الجليدية المنشقَّة عن الجروف الجليدية في القطب الجنوبي تبدو خضراء على نحوٍ واضح. والسبب في هذا اللون الأخضر هو امتصاص الضوء الأزرق من قِبل العوالق النباتية البحرية التي أضيفت تدريجيًّا لقاعدة الجرف الجليدي أثناء تجمُّد مياه البحر حتى القاعدة. ويُحوِّل امتصاص اللون الأزرق لونَ الضوء المنتقل عبْر الجليد إلى اللون الأخضر. وإذا انقلب الجزء الجليدي بعد انشقاقه يظهر الجليد أخضر اللون على الجبل الجليدي الناتج. لا تظهر الجبال الجليدية الخضراء في القُطب الشمالي، والسبب المُفترَض هو أن الجروف الجليدية تتحرك وتنشق في البحر سريعًا جدًّا على نحو يحول دون تراكُم العوالق النباتية على نحوٍ ملحوظ.
(٥٤) المرايا الجليدية وشرارات الجليد
عادةً ما يكون انعكاس ضوء الشمس من الحقل الجليدي مُبهرًا ويشع باللون. فما سبب هذه الظاهر المعروفة باسم «المرايا الجليدية»؟ وما سبب الشرارات الشائعة ذات الألوان الخافتة التي يُمكِن رؤيتها في الحقل الجليدي؟ ولماذا يبدو في الغالب أن الشرارات الجليدية توجد فوق سطح الجليد أو أسفله؟
(٥٥) الرؤية الضبابية وعمى الثلج
ما الظروف التي تؤدِّي إلى حالة فقدان الرؤية والاتجاه في الحقل الجليدي، والمعروفة باسم «الرؤية الضبابية»؟ إذا كان الضوء ساطعًا، فلماذا تختفي الظلال؟ في بعض الأحيان يمكن أن يُؤذي الابيضاض الجليدي العين، وربما يؤدِّي إلى العمى الدائم (عمى الثلج). هل حدوث الرؤية الضبابية في الأيام المشمسة أكثر احتمالًا من حدوثها في الأيام الغائمة؟
وإذا كان الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية ساطعَين فمِن المُمكن أن تتسبَّب الرؤية الضبابية في ألم للعينَين وربما تؤدي إلى العمى الدائم. وحتى العصور الحديثة ظلَّ بعض السكان الأصليين في كندا وألاسكا يُقلِّلون من تعرُّضهم للضوء من خلال ارتداء نظارة مكونة من قطعة من الخشب أو العظام ذات شق رفيع على كل عين.
(٥٦) نظارات التزلج الصفراء
يَزعم بعض المُتزلِّجين أن الكتل الجليدية الصعبة التبيُّن يمكن رؤيتها على نحو أفضل في الأيام الضبابية من خلال نظارة ذات زجاج أصفر. يوصي أيضًا المستكشف القطبي الشهير فيلهلمر ستيفانسون باستخدام نظارات ذات عدسات برتقالية للتجوُّل في الحقول الجليدية والثلجية. فهل تتحسَّن الرؤية فعليًّا باستخدام هذه العدسات الصفراء في تلك المواقف؟
أثمة سبب آخر وهو أن النظارات الشمسية قد تعزز سطوع المشهد الظاهري (وليس الفعلي) سواء أكان جليديًّا أم لا. ويعود هذا التأثير إلى عمل المُستقبلات الضوئية العصوية في الشبكية. وعند تحفيز تلك المستقبلات بالضوء في الطرف الأصفر والأحمر من الطيف، وليس بضوء الطرف الأزرق والأخضر، فإن إشارة تلك المستقبلات للمُخ تتفاعَل مع إشارة المستقبلات الضوئية المخروطية في الشبكية مما يؤدِّي إلى زيادة في السطوع الظاهِري.
(٥٧) إظلام الجليد
عندما تذوب بحيرة متجمِّدة في فصل الربيع، لماذا تتحوَّل أجزاء من الجليد إلى لون داكن؟
ثمة سبب آخر، وهو أنه عندما تتجمَّد المياه سريعًا يندفع الهواء المُتحلِّل إلى الفقاعات المحصورة في الجليد. ونظرًا لأن معدل التجمُّد يكون عادةً أسرع قرب سطح الماء، فإن الطبقة العلوية من الجليد تحتوي على الكثير من الفقاعات الحبيسة. وكل فقاعة من الفقاعات تُشتِّت ضوء الشمس وتمنح الجليد مظهرًا أبيض ساطعًا. وفي فصل الربيع تذوب أجزاء من طبقة الجليد العلوية فتكشف طبقات الجليد السُّفلية المحتوية على عدد أقل من الفقاعات الحبيسة. ولذلك، فإن أجزاء الطبقة السُّفلية المكشوفة تكون أكثر إظلامًا من أجزاء الطبقة العُلوية المُتبقية.
(٥٨) السحب الساطعة والسحب القاتمة
لماذا معظم السُّحب بيضاء وساطعة؟ لماذا بعض السحب قاتمة؟ لماذا حوافُّ بعض السحب القاتمة ساطعةً (سحابة ذات «بطانة فضية» مثلما يقول القول المأثور)؟
تشتُّت قطرات الماء في السحابة الضوء في اتجاه الأمام تشتيتًا قويًّا، بينما يكون تَشتيت الضوء في أي اتجاه آخر أضعف. ومِن ثَمَّ فإذا كانت السَّحابة القاتمة قريبة من الشمس من منظورك، فإن القطرات على حافة هذه السحابة سوف تُشتِّت الضوء بقوة في اتجاهك. وعلى الرغم من أن داخل السحابة قاتم من منظورك، فإن هذا التشتيت القوي من الحافة الرقيقة سيجعل الحافة ساطعة نسبيًّا. وإذا لم تكن السحابة قريبة من الشمس، فستَفتقر الحافة إلى هذا التشتيت القوي للضوء في اتجاهك ولن ترى حافة ساطعة.
(٥٩) السحب المضيئة ليلًا
في المناطق القريبة من دائرة العرض ٥٠ تظهر عادةً سُحُب غائمة فضِّية ضاربة إلى الزرقة بعد فترة من غروب الشمس، لا سيما أثناء الصيف في الجزر البريطانية والدول الإسكندنافية. فما سبب هذه السحب التي يُطلق عليها «السحب المضيئة ليلًا»؟ لماذا تُرى فقط بعد فترة من الغروب، ولماذا تتخذ أحيانًا مظهرًا مَوجيًّا؟ ولماذا ظهرت لأول مرة عام ١٨٨٥؟ ولماذا زادَ سطوعها وعدد مرات ظهورها في العموم (لكن ليس دائمًا) منذ ذلك الحين؟
ومن الواضح أن أول ظهور للسحب المضيئة كان بسبب انفجار بركان كراكاتوا عام ١٨٨٥ بالقُرب من جاوة. وأطلق هذا الانفجار الهائل كلًّا من الأتربة والماء لارتفاعات عالية. وعلى ارتفاع ٨٠ كيلومترًا تقريبًا تجمَّع الماء على التراب البركاني (وربما أيضًا على التراب المُذنَّبي والشُّهبي) ليُشكِّل جزيئات صغيرة (أصغر من الميكرومتر) كوَّنت أول سحب مضيئة مُعلَن عنها. ويعود السبب في الزيادة العامة في عدد السحب المضيئة وسطوعها منذ عام ١٨٨٥ إلى زيادة إنتاج غاز الميثان بفعل الصناعة وحقول الأرز ومدافن القمامة والغازات التي تُطلِقها الماشية. يَصعد غاز الميثان إلى الطبقة العليا من الغلاف الجوي ويتعرض لتغيُّرات ويسفر عن زيادة جزيئات الماء وأجزاء الجليد في السحب المضيئة ليلًا.
(٦٠) أنت في المرآة
إليك سؤالًا شائعًا عن الصور في المرآة المسطَّحة: لماذا تظهر صورتك معكوسة إلى اليسار واليمين ولا تظهر مقلوبة من أعلى وأسفل؟
افترض أن قمة المرآة المسطَّحة مُتوافِقة مع قمة رأسك؟ فما طول المرآة اللازم لترى قدمَيك فيها؟ هل يَعتمد الجواب على مسافة وقوفِك من المرآة؟ هل إذا تحرَّكت بعيدًا عن مرآة مسطَّحة فسترى فيها في هذه الحالة قدرًا أكبر من جسمك أم قدرًا أقل؟
إذا كانت قمة المرآة مُحاذية لقمة رأسك فيجب أن تكون المرآة نصف طولك فقط لترى قدمَيك فيها. في هذه الحالة سيُمكنك رؤية رأسك من خلال انعكاسه في قمة المرآة، وسترى قدمَيك من خلال انعكاسهما في أسفل المرآة. ولا تتغيَّر هذه الانعكاسات إذا غيَّرت مسافة وقوفك من المرآة.
(٦١) انعكاسات الماء ومرآة المسرح
إذا نظرت إلى منظر طبيعي أثناء مُشاهَدة انعكاسه على المياه الهادئة، فهل سيكون الانعكاس صورة مرآتية للمَنظر الطبيعي؟
إذا نظرت إلى انعكاس السقف العُلوي أو وجهك في فنجان الشاي، فلماذا تكون الصورة مشوَّهة قُرب جدار الفِنجان؟ إذا أمسكت فنجان الشاي في ضوء الشمس عندما تكون الشمس مرتفعة في الأفق، فلماذا ترى صورتَين صغيرتَين للشمس في اتجاهات معينة للفنجان؟ لماذا تكون التشوُّهات قُرب جدار الفنجان مختلفة إذا كان الفنجان ممتلئًا لدرجة ارتفاع السائل فوق حافة الفنجان نسبيًّا؟
عند إمالة فنجان لبن نصف ممتلئ بحيث يغطي اللبن جزءًا فقط من قاع الفنجان، لماذا يكون هذا الجزء من القاع محاطًا بشريط شفاف؟
إذا نظر مُمثِّل (على المسرح أو في التليفزيون أو في السينما) في مرآة ورأيت وجه المُمثل في مُنتصِف المرآة، فماذا يرى المُمثل في المرآة؟
في فنجان الشاي يتقوَّس سطح السائل نسبيًّا قُرب جدار الفنجان لأن تماسُك الماء والتصاق الماء بالجدار يَسحب السائل أعلى الجدار. (يقال عادةً إنَّ هذا التسلُّق سببه «التوتر السطحي» للماء.) يتصرف سطح السائل كالمرآة فيُصدر صورًا مرآتية لكل ما هو فوقه. وفي حين يُعطي الجزء المسطح صورًا مشوهة، فإن الجزء المقوَّس للداخل (المقعر) يصغِّر الصور. وإذا حملت فنجان شاي في ضوء الشمس عندما تكون الشمس المُرتفعة في السماء في ظهرك في العموم فسوف ترى صورتَين مُصغَّرتَين للشمس؛ إحداهما يُرسلها لعينَيك السطح المقوَّس عند جدار الفنجان، والأخرى يرسلها أولًا السطح المقوس إلى السطح المسطح ثم تنعكس إلى عينَيك.
إذا كان الفنجان مُمتلئًا فإن سطح السائل قرب حافة الفنجان يَبرز للخارج (يكون «محدبًا»). ومرة أخرى ستُصبح الصور مصغرة، شبيهة نسبيًّا بالصور التي نراها في مرايا المتاجر لمنع السرقة.
فنجان اللبن أبيض لأنَّ الضوء يخترق أولًا سطح اللبن ثم يتشتت لك من جزيئات اللبن (مثل الدهون). هذا الضوء المشتَّت يكون ساطعًا على نحو يكفي لحجب أي انعكاس مرآتي على سطح اللبن. أما منطقة الشريط الشفاف المحيطة باللبن في الفنجان المائل فتَحتوي على عدد من الجزيئات أقل نسبيًّا؛ ومِن ثمَّ يكون الضوء الذي تُشتِّته لك الجزيئات خافتًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن السطح المقوَّس يُركز الضوء الذي يعكسه السطح. ونتيجة ذلك يكون الشريط ساطعًا لا ملامح له.
يُوَجَّه المُمثل إلى حمل مرآة ليَعكِس صورة وجهه للكاميرا أو للجمهور. إلا أن ما يراه المُمثل في المرآة ليس وجهه وإنما الكاميرا أو الجمهور. علاوة على ذلك، فقد ظهر هذا التضليل البصري والخطأ المقصود في العديد من اللوحات.
(٦٢) شبح بيبر والرأس الذي لا جسم له
عام ١٨٦٣ اخترع جون هنري بيبر، الأستاذ في معهد لندن للفنون التطبيقية، خدعة هي عبارة عن شبح يتحرَّك ويتحدَّث طافيًا في منتصف الهواء على المسرح. وفي العروض الجانبية في السيرك والمعارض كانت ثمة أنواع رائجة مُشابهة لهذه الخدعة. وفي هذه العروض كان من المُمكِن عندما يدخل المرء خيمة العرض ذات الإضاءة الخافتة أن يجد رأس شخص على الطاولة. وكان هذا الشخص يتحدث على الرغم من أن المكان الموجود أسفل الطاولة خاوٍ. فكيف تنفَّذ هذه الخدع؟
(٦٣) ميل نوافذ موظفي المراقبة الجوية
لماذا النَّوافذ المُحيطة بمنطقة عمل برج المُراقبة الجوي مائلة وحافاتها العلوية بارِزة للخارج؟ يميل الزجاج الأمامي للسيارة في الاتجاه المعاكس كي يَمنح السيارة الانسيابية. فكيف يُمكن أن يتداخل هذا التصميم مع رؤية قائد السيارة لما يراه أمامه؟
نظرًا إلى مَيل الزجاج الأمامي للسيارة إلى الداخل، فإنَّ قائد السيارة يرى انعكاسًا للوحة عدادات السيارة فوق ما يراه أمامه. وإذا كانت لوحة العدادات، أو أي شيء عليها، ساطعًا فسيَجِد السائق صعوبة في رؤية المَركبات القاتمة القادمة.
(٦٤) الصور في مرآتَين أو ثلاث مرايا
عند إضافة مرآة ثالثة لحَصرك في مثلَّث يُصبح عدد الصور لا نهائيًّا من الناحية النظرية؛ لأنه من المُمكِن حبس الضوء الصادر منك أو من الأشياء الأخرى داخل المثلث، فيَنعكِس لمرَّات كثيرة. أما من الناحية العملية، فإن عدد الصور محدود؛ لأنَّ الامتصاص والانعكاسات المشوَّهة تُضعف الصور تدريجيًّا وتجعلها غائمة، لا سيما في حالة المرايا الرخيصة التي تكون أسطحها العاكسة خلف الزجاج.
يَحدُث أمر مُشابه إذا وقفت بين مرآتَين متوازيتَين مع النظر في إحداهما. من الناحية النظرية سترى عددًا لا نهائيًّا من الصور لذراعك المَمدودة، مثلًا، مُتوازيةً مع المرايا. إلا أنك تستطيع رؤية صور عديدة لرأسك فقط إذا كانت المرايا مائلة نسبيًّا. هل يُمكِنك تفسير ذلك؟
ثمَّة جهاز مُبتكَر يَستخدِم مرآةً مُوازية لمرآة نصف مطلية (عاكسة جزئيًّا)، ويوجد بين هاتَين المرآتَين مصابيح صغيرة. وعندما تنظر إلى الجهاز عبْر المرآة نصف المطلية سترى انعكاسات عديدة للمَصابيح مما يُوهم بوجود مجموعة من المصابيح تتراجع بعيدًا عنك إلى عمق كبير. وفي بعض الأحيان تكون المرآة الخلفية ذات جزء محدَّب بحيث يكون مركز مجموعة المرايا ممتلئًا أيضًا بصور المصابيح.
(٦٥) المشاكيل
في المِشكال التقليدي الرخيص الثمن يُمكن أن ترى مجموعة واحدة من الصور المُرتَّبة على نحو مُتماثل حول نقطة مشتركة. فكيف تُنتِج المشاكيل الأغلى ثمنًا مجموعات كثيرة من الصور؟ كم عدد الأنواع الكثيرة المختلفة من الترتيبات المُتماثلة التي يُمكِن أن توجد داخل المِشكال الواحد؟ أي ترتيبات للمرايا تنتج صورًا لا تتغيَّر (تتبدَّل) عند تغيير زاوية النظر في الآلة؟
إذا كانت المرايا مائلة بحيث تكون الفتحة عند أحد الطرفين أصغر من الطرف الآخر، فماذا سترى داخل المشكال؟ كيف تُنتِج أنواع معيَّنة من المشاكيل ألوانًا في حالة عدم وجود أي شيء ملوَّن (كزجاج أو بلاستيك ملوَّن) عند الطرف الآخر؟ ما أنواع الصور التي تراها في أنبوب دائري لامع من الداخل؟
باستثناء الترتيبات الأربعة التالية للمرايا فما ستراه سيتغير مع تغير زاوية النظر في المشكال: (١) إذا كان المشكال مكوَّنًا من أربع مرايا فسوف تكون مثلثًا أو مربعًا عند الفتحة. وإذا كان المشكال يحتوي على ثلاث مرايا فسوف تُكوِّن (٢) مثلثًا متساوي الأضلاع، أو (٣) مثلثًا قائم الزاوية بزاويتَين ٦٠ درجة و٣٠ درجة، أو (٤) مثلثًا قائم الزاوية بزاويتَين تبلغ كلٌّ منهما ٤٥ درجة.
وإذا نظرت من الطرف الأوسع لمِشكال به مرايا مائلة، فسيُنتِج انعكاس الصور كرة جيوديسية تبدو طافية في فضاءٍ خالٍ. وإذا نظرت من الطرف الأضيق فسيَبدو كما لو كنت داخل الكرة الجيوديسية.
يمكن أن تنتج الألوان التي تراها داخل المشكال من قِطَع بلاستيكية عديمة اللون مطوية بين مرشحي استقطاب.
وإذا نظرت إلى مصدر ضوء نقطي عبْر أنبوب دائري لامع من الداخل فسوف ترى سلسلة من الحلقات الضيقة.
(٦٦) متاهة المرايا
كانت قاعة المرايا الموجودة في لوسرن بسويسرا متاهة مرايا معقَّدة، سرعان ما كنت أتوه فيها. كانت أرضيتها مكوَّنة من مثلثات متساوية الأضلاع. وكان مثبتًا على حافات بعض المثلثات مرايا بالطول الطبيعي. وكنت عندما أقف عند أي مثلث من المثلثات أرى ستة ممرات واضحة تمتدُّ بعيدًا عني، ومجموعة مختلطة من الصورة المنعكسة بين الممرات. فما الذي يخلق وهْم الممر؟ وماذا يوجد عند نهاية كل ممر؟ هل يستطيع أحد الأشخاص الاختباء مني في متاهة المرايا أم هل الحيز الداخلي كله مرئي من أي اتجاه في المتاهة؟
(٦٧) التصويب بالليزر في العروض
يَشرح لك الحارس الواقف خلفك أن عليك إطلاق الليزر بعد أن تُخمِّن أولًا إذا ما كنت ستُصيب الهدف، وأي هدف ستصيبه. ويوضِّح لك أيضًا أن الغرفة مصمَّمة بدقة ليكون طولها ٧ وحدات وعرضها ٤ وحدات. ثم يغادر الحارس فجأة كما لو كان الركن الذي تقف فيه هو الهدف الحقيقي.
هل ستُصيب هدف الصلصال أم ستصيب نفسك أم سينعكس الضوء حول الغرفة إلى أن يمحوه الامتصاص البسيط عند كل انعكاس في النهاية؟ ماذا سيحدث إذا كانت أبعاد الغرفة ٧ وحدات و٣ وحدات أو ٨ وحدات و٣ وحدات؟ وفي النهاية تضغط على الزناد بشجاعة بينما تحاول تخيُّل الانعكاسات المتعدِّدة التي ستخلقها.
(٦٨) مثلثات قاتمة وسط الزخارف
وإذا رتبت مجموعة مِن ثلاث كرات، فستكون مجموعة الصور أكثر تعقيدًا وستَحتوي على الكثير من الصور المُعتمة نظرًا لوجود العديد من الانعكاسات تحت الأفق. في أي كرة من الكرات يوجد الأفق على طول خطٍّ شبه مستقيم، وتراكب الخطوط المستقيمة في الكرات الثلاثة يُكوِّن مثلثًا. تتَّسم الصور الموجودة داخل المثلَّث بالإعتام بسبب الانعكاسات المتعدِّدة. ونظرًا لأن الكرات تَحجب على الأرجح الضوء المُحيط من الوصول إلى الأرضية المكشوفة بين الكرات، فحتى رؤية المشاهد المباشرة للأرضية داخل المثلث ستكون قاتمة.
لكي تَفهم لماذا صور إصبعك المُنعكِسة تُشير كلها إلى كرة واحدة، جرب أولًا الإشارة إلى اليمين أمام مرآة مسطَّحة واحدة. تُشير إصبعك وصورتها نحو نقطة مشتركة ناحية اليمين. ستجد النتيجة نفسها إذا وضعت بدلًا من المرآة كرةً عاكسة، باستثناء أن السطح العاكس مُقوَّس الآن. وأي كرة عاكسة أخرى مثل الموجودة في مجموعة الكرات سوف تُعطي أيضًا صورة تُشير في اتجاه إصبعك.
(٦٩) تحوُّل السطح اللامع إلى الأسود الحالك
تتَّسم شفرة الموسى المزدوج الحد العادي باللَّمَعان. أما إذا خزنت الكثير من الشفرات معًا ثم ضغطت على هذه المجموعة، فإن جانب المجموعة المرصوص فيه الجوانب الحادَّة سيُصبح أسود. فكيف يُمكن أن تصبح الأسطح اللامعة سوداء؟
من الواضح أن الكرتون الأسود أكثر سوادًا من الكرتون الأبيض. هل يُمكنك التوصل إلى طريقة يمكن من خلالها أن يصبح الكرتون الأبيض أكثر سوادًا من الكرتون الأسود عند إضاءة كلٍّ منهما بالمصباح نفسه؟
لكي تَجعل الكرتون الأبيض أكثر سوادًا من الكرتون الأسود اصنَع صندوقًا من الكرتون الأبيض، واجعل «خارج الصندوق» قاتمًا بحبرٍ أسود غير لامع، واثقُب ثقبًا في أحد جوانب الصندوق جاعلًا قُطر الثُّقب أقل من ١٠ في المائة من طول حافة الصندوق. ثم وجِّه مصباحًا نحو الجانب المثقوب. سوف يَتشتَّت الضوء الذي يدخل هذا الثقب مراتٍ عديدة داخل الصندوق. عند كل نقطةِ تَشتُّت لن يمتص الكرتون الأبيض إلا قدرًا قليلًا من الضوء، لكن نظرًا للتشتُّت مراتٍ عديدة فإن الضوء الذي يَخرج في النهاية من الثقب يكون خافتًا بشكلٍ كبير.
على النقيض من ذلك، فإن الضوء الذي يُنير خارج الصندوق المطلي بالحبر يمتصُّه الحبر امتصاصًا كبيرًا، لكن نظرًا لتشتت هذا الضوء لمرةٍ واحدة فقط فإنك تعترض من الضوء الآتي من خارج الصندوق قدرًا أكبر من ذلك الآتي من داخل الثقب. وهكذا يكون الثقب (الذي ينقل الضوء من الحيز الداخلي الأبيض) أكثر قتامةً من الكرتون الأسود.
(٧٠) العواكس المرجعية
«العاكس المرجعي» هو وسيلة تعكس شعاع الضوء إلى مصدره بصرف النظر عن زاوية دخول الضوء إلى الوسيلة. عادةً ما تُخاط رقائق من العواكس المرجعية الدقيقة في ملابس العدَّائين لزيادة قابلية رؤيتهم ليلًا؛ فعندما تلمع مصابيح السيارة الأمامية على العواكس المرجعية يُرسَل الضوء مرة أخرى إلى قائد السيارة بحيث يلاحظ العدَّاء ويتجنبَّه. فلماذا إذن لا ترى صورة مرآوية (أو حتى صورة مشوهة) لوجهك عندما تنظر إلى رقاقة عواكس مرجعية قريبة منك؟
في بعض الأحيان تُثبَّت العواكس المرجعية على الطرق لتُصبح الحارات المرورية واضحة عندما يكون الطريق مظلمًا (إما بسبب الأمطار أو بسبب ضعف الإضاءة). وتُضاف رقاقات العواكس المرجعية أيضًا إلى العديد من إشارات المرور بحيث تصبح الإشارة أكثر وضوحًا في الليل. وقد ترى أدلة على وجود هذه العواكس المرجعية أثناء الطيران نهارًا؛ فعندما تكون على مستوًى مُنخفِض انظر بالقرب من ظل الطائرة. في بعض الأحيان ستجد وميضَ ضوء خاطفًا عندما ينعكس ضوء الشمس في الاتجاه العام للشمس بفعل العواكس المرجعية الموجودة على الإشارات. (وسترى على الأرجح ومضات ضوء أخرى بعيدة عن نقطة ظل الطائرة، وتلك الومضات تعود إلى انعكاسات مرآوية لضوء الشمس من أسطح معدنية أو زجاجية أو من المسطحات المائية.)
تتمتع رقاقات العواكس المرجعية بقدرة مدهشة على إزالة التشوُّه من شعاع الضوء. على سبيل المثال، يُمكن عرض شريحة فوتوغرافية من خلال طبقة بلاستيكية مموجة (تشتت الصورة من على الشريحة) ومِن ثَمَّ عبْر الرقاقات. وعندما يعود الضوء عبْر البلاستيك وإلى شاشة المشاهَدة، يكون التشوُّه الذي نشأ عند المرور الأول قد أزيل إلى حدٍّ كبير وأصبحت الصورة شبه كاملة.
فكيف يعمل العاكس المرجعي؟ وكيف يُزيل التشوُّه؟
إذا أمسكت شريطًا من هذه العواكس المرجعية أمام وجهك فلن ترى صورة وجهك. والسبب في ذلك أن الأشعة الوحيدة التي تراها عيناك هي فقط تلك التي غادرتها. فالأشعة التي غادرت أنفك عادت إلى أنفك، لكنك لا ترى بأنفك.
تستطيع العواكس المرجعية إزالة التشوُّه لأنها تعيد الضوء عبْر منطقة التشوه نفسها. على سبيل المثال، إذا انحرف شعاع الضوء يسارًا أثناء مروره الأول، فإن الانحراف ينعكس أثناء المرور الثاني ومِن ثَمَّ يصبح الشعاع في النهاية موازيًا لاتجاهه الأولي. ويحدث عكس التشوه حتى إذا كان التشوه نتيجة لهب مُضطرب لأن الضوء يعود إلى اللهب أولًا قبل أن يتسنى للاضطراب وقت للتغير.
قصة قصيرة
(٧١) الهبوط في الظلام خلف خطوط العدو
في أثناء الحرب العالمية الثانية واجه مكتب الخدمات الاستراتيجية البريطاني مهمَّة صعبة تمثلت في إنزال طائرات صغيرة خلف خطوط العدو في الظلام. ولفعل ذلك دون أن يعلم العدو أزالوا مساحة من الأرض لتكون مدرَّج طائرات قصيرًا وأحاطوها بعواكس مرجعية صغيرة مكوَّنة من ثلاث مرايا مُثبتة معًا لتكون ركن مكعَّب. «كان الطيار يرتدي مصباحًا كشافًا في وسط جبهته، وكان الضوء الصادر عنه يكاد يكون غير مرئي من الأرض لكن انعكاسات المرايا كانت كافية لتُحدد له منطقة الهبوط. وعند مغادرة الطائرة كان الطاقم الأرضي يُحدد مكان المرايا باستخدام الكشافات ويَمحون آثار المدرَّج المؤقت» (خطاب، إتش بي كلاي، ١٩٨٦).
(٧٢) مرآة الطريق الواحد
كيف يُمكن للمرآة أن تنقل الضوء في اتجاه واحد فقط؟
(٧٣) مرآة الرؤية الخلفية
كيف تَحصُل على صور ساطعة من مرآة الرؤية الخلفية للسيارة أثناء النهار وتَحصل فقط على صور خافتة (ومِن ثَمَّ لا تُسبِّب بهر البصر) أثناء الليل؟
(٧٤) مرآة الرؤية الجانبية
(٧٥) لوحة «حانة في فولي بيرجير»
(٧٦) فن عصر النهضة والإسقاط البصري
يَعتقد بعض الرسامين والمؤرخين المعاصرين أن رسَّامي القرنين الخامس عشر والسادس عشر ربما يكونون قد استخدموا مرآة منحنية لإسقاط الصور على لوحات الرسم. إذا كان الأمر كذلك، فلربما وضَع هؤلاء الرسامون الخطوط الرئيسة وتفاصيل الصور ببساطة على اللوحة، ثم ملئوها بالألوان، فيما يُشبه عملية الرسم بالأرقام. كيف يمكننا التأكد مما إذا كانت مثل هذه التقنية قد استُخدمت؟
يُبين تحليل اللوحات احتواءها في الحقيقة على أخطاء عدة في المنظور، مما يَدعم بشدة الرأي المعارض لفرضية استخدام المرايا (أو أي أدوات بصرية أخرى). على سبيل المثال، فإن أي خطين متوازيَين ممتدَّين من الرسام يجب أن يلتقيا في نقطة واحدة، تُسمى «نقطة التلاشي». يُفترض بالرسام الذي يسعى إلى تحقيق الواقعية في لوحته أن يَضع نقطة كهذه، وأن يرسم بعناية جميع خطوط المنظور بناءً عليها. في اللوحات التي جرى تحليلها، فإن خطوط المنظور في أجزاء مختلفة من اللوحة كانت موجَّهة إلى نقاط تلاشٍ مُختلفة، مما يُبيِّن أنها رُسمت رسمًا حرًّا، بدلًا من شفِّها ببساطة من صورة مُسقطَة.
(٧٧) فن الأنامورفيك
بعض اللوحات والرسومات التي أُنتجَت في القرون من الخامس عشر وحتى الثامن عشر، كان مشوهًا عن عمد، ما جعل عناصرها لا يُمكن فهمها على الفور، ربما للتمويه على موقف سياسي مُعارِض لأحد الملوك. في بعض القِطَع، يجب أن تنظر إلى اللوحة الفنية من إحدى الحافات قبل أن تستطيع إدراك العناصر المرسومة فيها. وفي قِطَع أخرى، يجب أن ترى صورة مُنعكِسة من اللوحة لتفهم العناصر. فمثلًا، قد يتوجَّب عليك أن تنظر إلى الانعكاس الذي يُوفِّره مخروط أو أسطوانة لامعة موضوعة في منتصف اللوحة. لماذا تكون العناصر مُمكنة الفهم بطرق المشاهدة الغريبة هذه وليس بالطريقة العادية؟
على سبيل المثال، لنفترض أن فنانًا رسم وجه قط، بينما يرى عمله من خلال عكسه عن مخروطٍ لامعٍ موضوعٍ في منتصف لوحة الرسم. حين يُزال المخروط، لا يُمكن تمييز الوجه بسبب المنظور المشوه. (العينان متباعدتان كثيرًا؛ الذقن عريض ومُحيط باللوحة؛ والتكوين لا يُشبه القط في شيء بكل تأكيد.) ولكن عندما تعيد المخروط إلى مكانه وتنظر إلى انعكاس اللوحة عن المخروط، يزول التشوُّه وتُميِّز الصورة المتكوِّنة على شبكيتك، باعتبارها وجه قط.
(٧٨) مصابيح الشارع الساطعة والخافتة
عندما يُضاء مصباحا شارع متماثلان (من النوع التقليدي المكشوف، المسبِّب للتلوث الضوئي)، أين تكون نقطتا السطوع العُظمى والصُّغرى على امتداد الرصيف الأوسط؟ إذا أضيء صف مُستقيم من المصابيح المُتماثِلة الواقعة على مسافات متساوية، أين تكون نقطتا السطوع العُظمى والصغرى على امتداد الصف؟ هل هناك ترتيبات أخرى للمصابيح (في الصف) ستزيد السطوع في النقاط الأكثر خفوتًا؟
(٧٩) صور متعدِّدة من نوافذ مزدوجة
إذا نظرت في أثناء الليل إلى مصدر للضوء، عبْر نافذة مكونة من لوحين زجاجيَّين، فقد ترى صورًا متعدِّدة للشيء. إذا استخدمت مثل هذه النافذة في برج مراقبة في أحد المطارات، فقد تُشكِّل الصور الإضافية خطرًا، لأنها يمكن أن تُفسَّر بأنها طائرات إضافية. فما الذي يسبب الصور الإضافية، وكيف يعتمد البُعد بينها على الزاوية التي يصل بها الضوء إلى النافذة؟ وهل تَعتمِد المسافات الفاصلة على الأحوال الجوية؟
يُمكنك رؤية صور متعدِّدة مشابهة ليلًا حين تنظر إلى ممر الإقلاع عبْر نافذة الطائرة. وبمجرَّد أن تصير في الهواء، إذا أضأت المصباح الموجود فوق مقعدك وأمسكت بجسم لامع في الضوء، فقد ترى انعكاسات عديدة للجسم على النافذة. ما الذي يُفسر الصور الإضافية؟
أحيانًا يختلف ضغط الهواء بين اللوحَين عن ضغط الهواء في الخارج؛ مما يُؤدِّي إلى انحناء اللوحَين إلى الداخل أو إلى الخارج. يزيد ذلك الانحناء من تباعُد الصور. وللتغلب على هذه المشكلة في مراقبة حركة الخطوط الجوية، تكون لدى مثل هذه النوافذ وسائل لجعل ضغط الهواء بين اللوحين، والضغط الخارجي، متعادلَين؛ فمثلًا، قد تملك النافذة ثقبًا صغيرًا في كلا اللوحين.
تَنتج الصور الإضافية التي يمكن أن تُرى في نافذة طائرة، عن وجود ثلاثة ألواح زجاجية في النافذة. حين ترى مشهدًا مائلًا عبْر النافذة، فإنك ترى صورًا مُتعدِّدة، ناتجة عن انعكاسات متعدِّدة للضوء. وحينما تكون الطائرة على ارتفاعٍ عالٍ، يتقوَّس اللوح الزجاجي الخارجي باتجاه الخارج، بسبب ضغط الهواء الخارجي المُنخفِض، ويمكن لانحنائه أن يشوه الانعكاسات عنه، بطرق مُثيرة للدهشة.
(٨٠) الكشافات الأقوى في العالم
في ورقة بحثية صدرت عام ١٩٦٥ وأرَّخت لسيطرة التفكير المُتفائل على العلم أحيانًا، وصف آر في جونز عاملَي موانئ بريطانيَّين، ارتأيا أن سطوع الكشاف يُمكن زيادته بقدر كبير. بدءًا بضوء منبعث من قوس كربون، كان من المفترض أن تقوم مرآة بيضاوية بتركيز صورة من القوس. وبعدئذٍ تستخدم مرآة أخرى تلك الصورة، لتركز صورة أخرى، ثم تستخدم مرآة ثالثة تلك الصورة لتركز صورة أخرى كذلك وهكذا، إلى أن تركز المرآة الأخيرة صورتها مرةً أخرى على قوس الكربون، جاعِلةً القوس بذلك أكثر توهُّجًا بكثير مما كان عليه في الأصل. أريد لعَملية التكبير هذه أن تتكرَّر مرات عديدة، إلى أن تحين الحاجة إلى الكشَّاف، فتُزال إحدى المرايا للسَّماح للشعاع بالانطلاق. كان يُفترض بالضوء أن يكون ساطعًا على نحو استثنائي. فما الذي عاب هذه الخطة؟
لا يُمكننا بالطبع أن نبدأ بكمية معينة من الطاقة، ثم نزيدها بطريقة ما، دون أي مصادر إضافية للطاقة. لذا فإن عكس الضوء مرات عدة يُمكن أن يُركِّزه، لكنه بالتأكيد لن يَرفع طاقته.
(٨١) شعاع أرخميدس المميت
لطالَما تجادَلَ المؤرِّخون حول ما إذا كان أرخميدس قد هزم الأسطول الروماني إبان حصاره لسرقوسة عام ٢١٢ قبل الميلاد، باستخدام «مرآة حارقة». فطبقًا للأسطورة، استخدم أرخميدس المرايا لتركيز ضوء الشمس على جانب سفينة رومانية، محرقًا إياها. وبعدما أُحرق عددٌ كافٍ من السفن وغرق، انسحبَت السفن الباقية. هل مثل هذا العمل البطولي مُمكِن؟
تتعلَّق إحدى هذه المشكلات بالتركيز؛ فلتسليط كثافة التركيز الملائمة على الخشب، يجب أن تركز المرآة الضوء على بقعة صغيرة. لن تصنع مرآة مستوية واحدة مثل هذه الكثافة (وهذا في الحقيقة من حُسن الحظ، لأنه لو كان الأمر عكس ذلك، لأمكن أن يؤدي أي استخدام أهوج لمرايا التجميل في ضوء الشمس إلى إشعال الحرائق). فلتركيز الضوء بشدة أكبر، سنحتاج إلى سلسلة من المرايا المستوية المرتبة جيدًا في قطع مكافئ. ومع ذلك، لإضرام النار في سفينة، يجب أن يُضبَط البُعد البؤري بحيث يعادل بُعد السفينة، وهو شرط يتعذَّر تحقيقه أثناء المعركة.
وتتعلق مشكلة أخرى بالزمن الذي يحتاجه الضوء المركز لإشعال الخشب. وحيث إن السفن تكون على الأرجح متحرِّكة (ومُترجرجة) خلال الهجوم، فإن تسليط شعاع مركز من ضوء الشمس على نقطة واحدة من إحدى السفن لوقتٍ كافٍ لإحراقها سيكون غير قابل للتطبيق على الإطلاق. وحيث إن الخشب على جوانب السفن كان رطبًا على الأرجح، فقد كانت المهمة مستحيلة فعليًّا بالنسبة إلى أرخميدس. باختصار، هذه الأسطورة الخاصة بأرخميدس ما هي إلا خرافة شائقة.
في عام ١٩٩٣، وضعت روسيا مرآةً بلاستيكية قُطرها ٢٢ مترًا في مدار لاختبار إمكانية عكس ضوء الشمس على المرتفعات الروسية خلال ساعات الإظلام في شتائهم الطويل. صنَعَت المرآة رقعة خافتة من الضوء يبلغ عرضها عدة كيلومترات، جالت أنحاء أوروبا في أثناء الاختبار. لاحظ أشخاص كُثُر الضوء، على الرغم من الغطاء السحابي في تلك الليلة.
قصة قصيرة
(٨٢) إضرام النار في حكم مباراة
في قصة آرثر سي كلارك القصيرة «حالة ضربة شمس بسيطة»، جرت مباراة كرة قدم بين دولتَين متنافستَين، أمام جمهور من ١٠٠ ألف شخص. كان حوالي نصف المُتفرِّجين من العسكريين الذين أُعْفُوا من الخدمة ومُنِحوا قلائد كبيرة وجميلة، أُحيطت بمعدن لامع يشبه الفضة، تخليدًا لذكرى الحدث.
كان الترقُّب يكتنف المباراة، خاصة أن الفريق صاحب الأرض خسر مباراة العام السابق، لأن الفريق الزائر رَشا حكم المباراة. في واقع الأمر، فقد رشا الفريق المُضيف الحكم أيضًا، لكن من الواضح أنها لم تكن رشوة كافية.
وحيث إنه طبقًا للقواعد، كان للفريق المضيف الحق في اختيار حكام المباراة، فقد اختير الرجل نفسه. كان الجمهور مترقبًا لرؤية مدى نزاهته في تحكيم المباراة هذه المرة. في البداية، بدَت معظم قراراته عادلة تمامًا، غير أنه بعد ذلك، وبمجرد أن سجل الفريق الزائر هدفًا، أبطل الحكم هدفًا من هجمةً مرتدَّة سجَّله أحد لاعبي الفريق المضيف، ومنح الفريق الزائر ركلةً حرة أحرزوها. وفي ظل تراجع الفريق المُضيف بهدفين، اغتمت جموع مشجعيه.
ومع ذلك فقد ارتفعت آمالهم حينما استعاد فريقهم الباسل الهجوم، محرزًا هدفًا نظيفًا للغاية، بحيث لم يستطع حتى الحكم المنحاز نفسه أن يَطعن فيه. بعد ذلك، سرعان ما هب مشجعو الفريق المضيف واقفين، حينما استطاع أحد لاعبيهم أن يخترق بالكرة صفوف عدة مدافعين وهز بها شبكة المرمى من جديد، مُحرِزًا التعادل. ووسط هتافات التشجيع، انطلقت صافرة الحكم، مقررًا عدم قبول الهدف، بزعمه المُثير للذهول، بأن اللاعب قد لمس الكرة بيده.
أوغر الغضب صدور بعض جماهير الفريق المضيف، وهدَّدوا بإشعال الملعب، لكن لم يكن بينهم العسكريُّون المنضبطون. وبعدما عاد كل فريق من الفريقَين إلى جانبه من الملعب، تاركين الحكم وحده في منتصف الملعب، انطلق نفيرٌ صاخِب، وفي حركة توافُقية رفع العسكريون قلائدهم اللامعة، ووجهوها نحو ضوء الشمس الساطع. وبوميض مُبهِر، تحوَّل الحكم إلى كومة مشتعلة، تصاعد منها عمود من الدخان.
في بعض البلدان، تُؤخَذ كرة القدم بجدية أكثر من اللازم.
(٨٣) الأضواء المخيفة في المقابر
في مقبرة قديمة، تَبعُد حوالي ميل واحد عن سيلفر سيتي؛ البلدة الصغيرة الواقعة في كولورادو، يَجتمع الزوار أحيانًا في الليل لمشاهدة الأضواء الغريبة المتراقصة بين شواهد القبور الرخامية السوداء. يكون المكان مظلمًا لأنَّ البلدة بعيدة، والمنطقة التي على الناحية المقابلة شبه مُقفرة. عادةً ما تكون الأضواء على هيئة نقاط بيضاء، لكنها تبدو أحيانًا أكبر، وتتَّخذ وهجًا أزرق. هل تخرج الأشباح للعبث أم أن هناك تفسيرًا منطقيًّا أكثر لهذه الأضواء؟
(٨٤) ما يراه الصياد من السمكة
إذا أطلقت سهمًا على سمكة مغمورة في الماء، فهل عليك أن تسدد السهم مباشرةً إلى السمكة؟ يعرف أي صياد ماهر أن عليك في العموم أن تُسدِّد على مستوى منخفض. لماذا؟ هل يتغيَّر الموقع الظاهري للسمكة إذا أملت رأسك بحيث تقع عيناك على محور رأسي؟ (من المُثبت أن محاولتك إصابة سمكة بإبقاء رأسك أفقيًّا، هي دعوة لإصابة نفسك في قدمك.)
يَزداد تعقيد الموقع الظاهري للسمكة بفعل الطريقة التي تُحدِّد بها بُعد الجسم عنك، وبمدى الْتقاء عينَيك لكي تراه. ولأن الشعاع الذي يصل إلى عينك اليُسرى منحرف إلى يسارك، والشعاع الذي يصل إلى عينك اليمنى مُنحرف إلى يمينك، يجب أن تجري عيناك مقاربة أكبر مما تُجريها في حالة عدم حدوث انحراف. وبناءً على المقاربة، تدرك أن السمكة أقرب مما هي عليه. وإذا أملتَ رأسك لتضع عينَيك على محور رأسي، بينما تنظر أيضًا في الماء باتجاه مائل، فستظهر السمكة في الماء أكثر قربًا وارتفاعًا.
(٨٥) ما تراه السمكة من الصياد
ما الذي يُمكن لسمكة أن تراه من العالم الخارجي، حين تنظر إلى أعلى؟ هل تكون صورة العالم مشوَّهة بسبب المسار الذي تسلكه أشعة الضوء عبْر سطح الماء؟ هل تعتمد الصورة على العمق الذي توجد فيه السمكة؟
عند الصيد بالحشرات، إذا رميت الحشرة نحو السمكة، فهل عليك أن تُوجِّهها بدقة، أم هل بمقدور السمكة أن ترى حشرات طافية أبعد؟
لنَفترض أنك مُستلقٍ على ظهرك في قاع حمام سباحة ضحْل. هل تكون رؤيتك للعالم الخارجي مُشابهة لرؤية السمكة له؟ هل يتغيَّر المشهد الذي تراه إذا ارتديت قناعًا له سطح بلاستيكي مستوٍ ويَحتوي على الهواء؟ إذا كان نظرك لا يحتاج إلى تصحيح، فلماذا يكون نظرك تحت الماء ضعيفًا للغاية عندما لا تَرتدي قناعًا يحتوي على الهواء؟ إذا كنت مصابًا بقِصَر النظر أو طوله، فهل يكون نظرك تحت الماء أفضل؟
عندما ترى سمكة نابلة حشرة في طُعم مُتدلٍّ فوق الماء، فإنها تخرج خطمها من الماء قليلًا، ثم تنفث من فمها نافورة من الماء نحو الحشرة، لكي تُسقطها في الماء إلى حيث يمكن أن تُلتقط وتُلتهم. عندما توجه السمكة نافورتها، تكون عيناها تحت الماء. فهل تستهدف النقطة التي ترى فيها الحشرة؟
أما خارج الدائرة، فترى السمكة بصورة رئيسة انعكاسًا مرآويًّا لقاع البِركة المائية، في حال كانت المياه ضَحلة، وترى سطحًا مُعتمًا، في حال كانت المياه عكرة أو أكثر عمقًا. إذا أردت للسمكة أن ترى كل ذبابة ترمي بها، فيجب أن تكون الذبابة قريبة من مركز الدائرة. أما إذا كانت قريبة من محيطها، فيكون الجزء الجاف من الذبابة مشوَّهًا بقدر كبير، ومختفيًا على الأرجح وسط ما يحيط به من فوضى صور الأشجار والعناصر الأخرى اللائحة في الأُفُق. وإذا كانت الذبابة خارج الدائرة، تستطيع السمكة رؤية الجزء المغمور منها فقط. وكلما كانت السمكة على عمقٍ أبعد، كانت الدائرة أصغر.
إذا كان نظرك طبيعيًّا، فلن ترى صورة واضحة للعالم الخارجي في مثل هذه الدائرة، عندما تكون مغمورًا تحت الماء. ينتج معظم تركيز عينَيك للضوء، من انكسار الضوء أثناء مروره من الهواء إلى قرنية العين. عندما يُجاور الماء القرنية، يكون هذا الانحراف غير موجود تقريبًا ولذا يغلب أن تبصر تحت الماء إبصارًا ضعيفًا.
يتحسَّن نظرك إذا كنت ترتدي قناعًا؛ لأنَّ الهواء المُجاور للقرنية يعيد انكسار الضوء إلى القرنية؛ ومِن ثمَّ التركيز. ومع ذلك، لا بد من أن يَنكسِر أيضًا الضوء الآتي من الماء، عبْر سطح القناع البلاستيكي الشفاف، وصولًا إلى الهواء المحتجز في القناع. يلغي هذا الانكسار الإضافي تشكُّل الدائرة العلوية على سطح الماء؛ وحينئذٍ يبدو العالم الخارجي شبيهًا بما يبدو عليه لعينك وهي فوق الماء.
إذا كنت تعاني من قِصَر النظر، تركز عيناك صورة للأجسام البعيدة أمام شبكية العين. وإذا قلَّلت الانكسار في القرنية بغمر عينَيك في الماء، فقد تسقط الصورة على الشبكية، ومِن ثَمَّ تُرى بوضوح.
في بعض الأحيان تَنفُث السمكة النابلة الماء نحو حشرة تقع فوقها مباشرة، وفي هذه الحالة فإن خط الإبصار الخاص بالسمكة لا يتأثر بالانكسار. ومع ذلك، يكون الانكسار مهمًّا في الاتجاهات الأخرى، ولا بد أن تضعه السمكة في الاعتبار إما بالتجربة والخطأ (إلى أن تصيب نافورة الماء الحشرة أخيرًا)، أو بالتعلم من الخبرات السابقة، أو بالترميز الجيني.
(٨٦) قراءة ما بداخل مظروف مغلق
لنَفترِض أنني برهنت على مهارتي في قراءة الأفكار، كما يلي: سأجعلك تكتب كلمة على ورقة، ثم تضع الورقة في مظروف أبيض قياسي، يَحتويها دون الحاجة إلى طيِّها، وتُغلق المظروف. ستَفحص المظروف قبل أن تُناولني إياه. لا تُرى الكلمة من خارج المظروف، والغرفة تفتقر إلى أي ضوء ساطع يمكن أن يَخترق المظروف ليظهر الكلمة على هيئة ظل.
عندما أُمسك بالمظروف، سأجعلك تفكر في الكلمة لكي «أراها» في عقلي. ورغم أنني أنظر إلى المظروف من وقت لآخر، لا أحاول أبدًا أن أرفعه في الضوء. بعد بضع دقائق من التركيز، أخبرك بالكلمة.
الحقيقة بالطبع هي أنه ليس لديَّ أي قوى لقراءة الأفكار. فكيف أستطيع تحديد الكلمة؟ إليك تلميح: هناك فيزياء مشابهة تجعل الأقمشة — لا سيما القطن الأبيض مثلما في القمصان — شبه شفَّافة عندما تكون مُبتلَّة.
يُمكنني تقليل كمية التشتُّت عن طريق جعل الورقة تمتص الشحم، الذي لديه معامل انكسار متوسِّط. لا يتغير المعامل كثيرًا فيما بين الهواء والشحم، ولا فيما بين الشحم والألياف والمواد المالئة. ولأن الضوء لا يتشتَّت كثيرًا، فإنه يخترق المظروف أكثر، ويُمكنه إظهار علامات الحبر أو الرصاص المشكِّلة للكلمة، والورقة التي تقع عليها. تمتصُّ العلامات الداكنة الضوء إلى حدٍّ كبير، لكن الورق المحيط بها يُشتِّت بعض الضوء النافذ رادًّا إياه إليَّ في النهاية، عبْر المظروف المُشَحَّم. أستطيع تمييز العلامات (ومِن ثَمَّ الكلمة) من خلال تبايُنها الواضح عما حولها.
قصة قصيرة
(٨٧) ابتلاع السيوف ومنظار المريء
اليوم، يُعدُّ منظار المرِّيء عملية روتينية، تُمدُّ فيها أداة معاينة مكوَّنة من ألياف بصرية، في حلق المريض نزولًا إلى معدته، بحيث يَفحص الطبيب المجرى. تكون أداة المعاينة منحنية لكي تسلك المسار المنحني من الفم إلى المريء. يحمل جزء من الأداة ضوءًا في نهايتها، لإضاءة المسار أو المعدة. ويَحمل جزء آخر صورة للداخل المضاء، إلى الأعلى، حيث يوجد جهاز يعرض الصورة على شاشة. يستطيع الطبيب تطويع الجهاز، ليُغيِّر الجزء الداخلي المضاء، وقد يبحث عن علامات لوجود سرطان، أو قُرحة، أو حتى لفافات غير مشروعة من المخدِّرات، التي يُقدِم بعض الناس على تهريبها عن طريق بلعها (التهريب الجسدي).
إننا نفهم منظار المريء الحديث على نحو جيد، لكن بداياته كانت غريبة نوعًا ما. كان «منظارًا داخليًّا» بسيطًا، يتكون من أنبوب مستقيم مُضاء بشمعة، يُستخدم بالفعل لفحص الطرف السفلي للقولون. وكذلك في منظار المريء الأول، استُخدم أنبوب مستقيم، لكنه كان أقصر من أن يصل إلى المعدة. ومع ذلك فإن ذلك الطبيب الرائد توصَّل إلى طريقة لاستخدام أنبوب أطول؛ حيث استعان بمُبتلع سيوف، وهو شخص يستطيع إمالة رأسه إلى الوراء، وإرخاء عضلات معيَّنة بامتداد المريء، وصنع ممر مستقيم إلى حدٍّ كبير، من الحلق إلى المعدة. وحينما أضاء الطبيب الطرف الحر للأنبوب الذي أدلاه، رأى الجزء الداخلي للمَعدة، وبدأ عصر منظار المريء الحديث.
(٨٨) بصريات باب حوض الاستحمام
تَستخدم بعض متاحف الفنون خصائص بصرية مُماثلة في عرضها للوحات الفنية. تُحمى اللوحات بطبقة من الزجاج أو البلاستيك، لكن لو كانت الطبقة عبارة عن لوح عادي، تكون رؤيتُك للوحة مشوبة بالانعكاسات المُختلفة لما في الغُرفة. ولتلافي التشويش، تُجعل الطبقة محبَّبة قليلًا. لماذا يزيل التحبيب انعكاسات الغُرفة، دون تشويه رؤيتك للوحة؟
إذا نظرت عبْر الشريط إلى صفحة مطبوعة، فإن قدرتك على قراءة المطبوع عليها تعتمد على نجاحك في تمييز الحروف المطبوعة. عندما يبعد الشريط عن المطبوع أكثر من نصف سنتيمتر، فإن انتشار صور الحروف يُسبِّب تداخلًا كبيرًا لا تستطيع معه تمييز الحروف.
تكون الحالة مشابهة مع المستحم خلف باب حوض استحمام محبَّب، ومع غطاء اللوحة الفنية. في حالة الغطاء، تكون اللوحة قريبة منك بما يكفي لتمييز تفاصيلها، ولكن عناصر الغرفة بعيدة كفاية، بحيث لا تتَّضح تفاصيلها المنعكسة ولا يُمكِن تمييزها. في حالة باب حوض الاستحمام، قد تتساءل عن سبب وضع التحبيب عادةً على السطح الخارجي للباب. إذا تناثَر الماء على التحبيب، فإنه يَملأ فراغات عدم الانتظام، مُعطيًا سطحًا أكثر استواءً، وبهذه الطريقة يُقلِّل انتشار أشعة الضوء. وعندئذٍ سيكون المُستحم مرئيًّا بوضوح، حتى لو كان بعيدًا عن الباب نسبيًّا. (الخصائص البصرية المُراعية الوقور يُمكنها أن تيسِّر احتشام المستحم المنظور إليه.)
(٨٩) سحر الانكسار
يَلفُّ ساحرٌ جريدةً حول أنبوب اختبار، ويُكسِّره إلى قطع صغيرة باستخدام مطرقة، ثم يُلقي القِطَع في دورق مياه شفاف. وبعد تمتمَة قصير بكلمات سحرية تستحث القطع لتعيد تجميع نفسها لتكوِّن أنبوب الاختبار من جديد، يمدُّ يده إلى الماء، ليَكتشِف أن القطع فعلت مما أمرها به تمامًا، ويخرج أنبوب الاختبار. كيف نجَحَت الخدعة؟
ضع كرةً زجاجية شفافة في كأس زجاجية، وضَعْهُما على مادَّة مطبوعة. عندما تنظر إلى أسفل عبْر الكرة، تكون المادة المطبوعة غير قابلة للقِراءة. كيف عساك تُبرز المادة المطبوعة دون تحريك الكأس الزجاجية؟
تُركِّز الكرة الزجاجية الضوء الصادر من المادة المطبوعة تركيزًا شديدًا، إلى حدِّ أنك لا تستطيع تمييز الصورة. ولتقليل التركيز، اسكب الماء في الكأس. إنَّ معاملَي انكسار الماء والكرة مُتقاربان، ولذا تتعرض أشعة الضوء لانكسار طفيف عندما تعبر من أحدهما إلى الآخر. يُمكن لعينَيك حينئذٍ أن تركِّزا الضوء الصادر، بما يُمكِّنك من قراءة المادة المطبوعة.
(٩٠) الرجل الخفي والحيوانات الشفافة
ولكي يرى الرجل فلزامًا أن يسلط الضوء ثم يمتص قدرًا منه. ومن أجل أن تُسلِّط عدسات العين الضوء لا بد أن تكون خواصها مختلفة عن خواص الهواء. ولكي تمتصَّ الشبكية الضوء لا بد أن تكون على الأقل مُعتمة جزئيًّا. وكلا الأمرَين سيكونان واضحَين إذا نظرت إلى عينَيه. أما إذا افترضنا أنه يسلط الضوء من خلال نقاط دقيقة (انظر المعلومات المتعلقة بكاميرات نقاط الدبوس في البند ٦-١٠٢) ثم يمتصُّ جزءًا من الضوء فحسب؛ ففي هذه الحالة قد لا يُكتشَف أمره.
عندما يُرسَل الضوء المرئي إلى الجسم البشري فإنه يتشتَّت من الكولاجين والأغشية والمكونات الأخرى المُختلِفة الموجودة في طريقه عند النقاط التي تتغيَّر فيها الخواص البصرية. ويكون التشتت كبيرًا لأن هذه الاختلافات في الخواص البصرية تحدث على مسافات «أكبر» من الطول الموجي للضوء. وأي صورة تُرسَل عبْر الجلد تُبعثَر كثيرًا بفعل هذا التشتُّت؛ ولذلك فالإنسان ليس شفافًا في الضوء المرئي. (إلا أنه توجد طرق من خلالها يُمكن «إبطال» هذه البعثرة من خلال التحليل الحاسوبي؛ ومِن ثمَّ «يُمكن» مرور الصورة عبر النسيج البشري.)
تتَّسم قرنية وعدسة العين البشرية بالشفافية تجاه الضوء المرئي على الرغم من ألياف الكولاجين الموجودة في القرنية والبروتينات المتبلِّرة في العدسة. والسبب في ذلك هو أن الألياف والبروتينات مجمعة بكثافة ولديها ما يطلق عليه «ترتيب قصير المدى». وهذا يعني أن الألياف أو البروتينات في منطقة صغيرة (أقطار ألياف قليلة) لديها جميعًا الاتجاه نفسه. والتجمُّع الكثيف يعني أن التغيرات في الخواص البصرية تحدث في مسافة «أصغر» من الطول الموجي. ونتيجة لذلك فإن الضوء يتشتت في الأساس في الاتجاه الأمامي؛ أي نحو الشبكية؛ ومِن ثَمَّ يستطيع الضوء أن يحمل معلومات عن الصورة عبْر العين إلى الشبكية؛ حيث يَجري التعرُّف على الضوء ويبدأ إدراك الصور.
بعض الحيوانات البحرية تُقلِّل من إمكانية رؤيتها من خلال عكسها للضوء لكي يرى المرء قدرًا أكبر من المحيط بدلًا من رؤية الحيوان. وهذه الانعكاسات قد تُخفي عيون الحيوان كي لا يتعرف عليها المُفترِس، أو قد تُخفي المعدة المُعتِمة بسبب وجود الطعام فيها. في الوقت الحالي ليس مفهومًا تمامًا ظاهرة الشفافية التي تُحقِّقها بعض الحيوانات البحرية لكنَّها من المؤكد راجعة إلى تقليل التنوع في الخواص البصرية للمُكوِّنات البيولوجية من أجل تقليل تشتُّت الضوء. وتحدث التنوعات «الموجودة» في المسافات الأصغر من الطول الموجي للضوء، ولذلك فإن الضوء يتشتَّت دائمًا في الاتجاه الأمامي كما لو كانت التنوعات غير موجودة. وتتَّسم حيوانات قليلة بالشفافية لسبب بسيط؛ ألا وهو قدرتها على التسطح إلى أن تُصبح كمية التشتت داخلها غير ملحوظة تقريبًا.
يُخفي حبار هاواي القصير الذيل نفسَه باستخدام بروتينات فريدة كثيرة في الصفائح الدموية. تعمل هذه الصفيحات الدموية كأغشية رقيقة يُمكنها عكس الضوء مثلما تعكس سلسلة من أغشية الصابون المُتوازية الضوء. الأمر الغريب في هذا الحبار هو أن الضوء تنتجه بكتيريا في عضو في الجانب السفلي للحبار. فعندما يُضاء الحبار بضوء القمر على سبيل المثال فإنه يرغب في تجنُّب إلقاء ظلِّه على أرض البحر لأن ذلك الأمر سيَكشف عن وجوده. ولذلك يُغيِّر تدفُّق الأكسجين إلى البكتيريا ليَستحثَّها كي تُصدِر الضوء؛ ومِن ثمَّ تَعكِس الصفائح الدموية الضوء إلى منطقة الظل، فتُضيء الظل.
(٩١) انحناء الطريق بفعل انكسار الضوء
(٩٢) ري النباتات في ضوء الشمس
يقول بعض البستانيِّين إنه يجب عدم ري العُشب أو الشجيرات عندما يكون ضوء الشمس ساطعًا؛ لأن قطرات الماء على الأنصال والأوراق يمكن أن تركز الضوء على نحوٍ يَكفي لحرق تلك الأسطح. فهل هذا الزعم صحيح؟
ونصيحة ري الأرض أثناء الليل بدلًا من الري في ضوء النهار مُفيدة في المناطق القاحِلة؛ فبمجرد زوال الشمس، تزداد فرصة تشرُّب الأرض بالمياه بدلًا من تبخرها.
(٩٣) إشعال النار بالجليد
في قصة «صحراء الجليد» للكاتب جول فيرن يتمرَّد طاقم السفينة على القبطان هاتريس وبعض رفاقه المُخلصين ويتركونهم مُنعزلين قرب المحيط القُطبي في أثناء محاولة الوصول للقطب الشمالي. وعلى الرغم من أن هؤلاء الرجال المهجورين كانوا يَمتلكون الحطب لإشعال النار فإنهم لم يكن بحوزتهم أي مواد مسبِّبة للاشتعال أو أي وسيلة لإشعال الحطب. وعندما وجد الرجال المهجورون أن أمامهم رحلة طويلة سيرًا على الحقل الجليدي للوصول إلى سفينة أخرى، عرفوا أنهم سرعان ما سيتجمَّدون حتى الموت. إلا أن طبيب السفينة توصَّل إلى خطة من خلالها يُمكن أن يشعل الجليد النار في الحطب. هل يمكنك أن تخمن كيف ذلك؟ وهل سيفلح هذا الأسلوب حقًّا؟
ربما نشأت فكرة هذه الخطة على يد العالم البريطاني الشهير ويليام سكوريسبي الذي يُشتهَر بريادة استكشاف القطب الشمالي. وقد وصَف ذات مرة كيف يُمكن لعدساته غير المتقنة الصنع التي صنعها من الجليد الشفاف إشعال الحطب وإذابة الرصاص وإشعال غليون البحَّار. ومؤخرًا، أخبَرَني ماثيو ويلار، من قرية ماكبرايد في كولومبيا البريطانية، كيف أنه التقط صورًا فوتوغرافية باستخدام كاميرا تَستخدم عدسة جليدية بدلًا من عدستها التقليدية.
وقد تتمكَّن أيضًا من إشعال النار باستخدام عدسة نظارة عادية. فإذا كانت النظارة مصمَّمة لشخص يُعاني من طول النظر، فإنه يمكن توجيه بؤرتها نحو الحطب. أما إذا كانت النظارة مصممة لشخص قصير النظر، فإن العدسة لا تجمع الأشعة. ومِن ثَمَّ، فإن قصة إشعال النار في قصة «أمير الذباب» خاطئة؛ فلقد كان بيجي شخصًا يُعاني من قِصَر النظر بشدة، ومِن ثَمَّ لم يكن رالف ليستطيع إشعال الحطب بنظارة بيجي كما ذكرت القصة.
(٩٤) الألماس
لماذا يلمع الألماس؟ ما سبب ألوانه، ولماذا تكون ألوانه أكثر سطوعًا في الألماس الأكبر حجمًا؟ لماذا تكون الألماسة مُظلِمة إذا نظرت عبْر سطحها السُّفلي إلى مصدر ضوء صغير؟ ولماذا تُقلِّل الأوساخ على سطحها السفلي من السطوع المرئي عبْر سطحها العلوي؟
يُعد «معامل الانكسار» الخاص بالمادة أحد مَقاييس مدى كفاءة المادة في فصل الألوان عند إضاءتها بالضوء الأبيض. فالألماس الذي يتمتَّع بمعامل انكسار كبير يفصل الألوان على نحو أفضل من الزجاج ذي القيمة المُنخفِضة في معامل الانكسار؛ ومِن ثَمَّ فإن الألماس المزيَّف المصنوع من الزجاج قد يتلألأ إذا كان متعدِّد الأوجُه عند قطعه، لكنه يَفتقِر إلى تلاعُب الألوان الذي تراه من الألماس الحقيقي. ومن الناحية النظرية، فإن الألماسة الكبيرة ملوَّنة أكثر من الألماسة الصغيرة؛ لأن طول المسافة التي يَقطعها الضوء عبْر الألماسة يزيد من فصل الألوان في الضوء.
(٩٥) أحجار الأوبال
ما السبب في ألوان حجر الأوبال الرائعة؟ يجب التفريق بين إنتاج الألوان في هذا الحَجر وبين إنتاج الألوان في الألماس؛ لأن حجم حجر الأوبال لا يتحكَّم في فصل الألوان. بالإضافة إلى ذلك، فإن الألوان مُختلفة. فعند تدوير ألماسة أسفل ضوء أبيض ساطع، سوف ترى تنوعًا في الألوان عبْر الطيف المرئي كاملًا. أما عند تدوير حجر الأوبال في هذا الضوء فسوف ترى نطاقًا ضيقًا من الألوان. فما الذي يتحكَّم في الفرق بين حجر الأوبال الرخيص عديم اللون وحجر الأوبال الأسود النفيس؟
ولكي تكون الألوان ساطعة ومميزة كما هي الحال في الأوبال الأسود فيَجب أن يتكون كل لون من نطاق ضيق من الأطوال الموجية لا غير. ولتكوين هذه النطاقات الضيقة لا بد أن تكون الكرات شبه مُتساوية في الحجم بحيث يكون الحيود من أي جزء من حجر الأوبال موحَّدًا. أما أفضل العروض ذات الألوان البراقة التي ترى من أي زاوية فتحدث في أحجار الأوبال التي يكون فيها تجمُّع السيليكا مختلفًا في الاتجاه والترتيب من منطقة لأخرى؛ وفي هذه الحال يوصف التجمع بأن به «عيوبًا». يزيد من جمال الأوبال الأسود ذي العيوب وجودُ جزيئات صغيرة (كربون، أو أكسيد الحديد، أو أكسيد التيتانيوم) تمتص الضوء الذي لم يتعرض للحيود، فيُعطي خلفية سوداء للضوء الملوَّن الذي تراه ويجعل الضوء أكثر وضوحًا. في الأوبال الرخيص يكون الاختلاف في أحجام الكرات كبيرًا وتكون الألوان غير ساطعة. ويكون الاختلاف في أحجام الكرات أصغر في أحجار الأوبال البيضاء، لكنه يظل رغم ذلك كبيرًا على نحو يسمح بوجود «بريق أبيض غائم».
(٩٦) تأثير ألكسندرايت
لون معظم الأحجار الكريمة يظل تقريبًا كما هو في ظلِّ ضوء الشمس والإضاءة المتوهجة، لكن بعض الأحجار الكريمة، مثل حجر ألكسندرايت وحجر تنزانيت، يمكن أن يتغيَّر لونهما تغيرًا ملحوظًا من اللون الأخضر المزرقِّ في ضوء الشمس إلى الأحمر المُصفرِّ في الإضاءة المتوهجة. عندما اكتُشفت أول قطعة من حجر ألكسندرايت الكريم في جبال الأورال في روسيا عام ١٨٣١ سُمِّيت ظاهرة تغيُّر الألوان باسم «تأثير ألكسندرايت» تكريمًا للقيصر الروسي ألكسندر الثاني. فما السبب في هذا التغيُّر اللوني؟
(٩٧) حجر الزفير النجمي
عندما تَنظر إلى حجر الزفير النَّجمي المُضاء بمصدر ضوء صغير لماذا ترى نجمة سداسية تَطفو فوق الحجر؟
(٩٨) أشكال الضوء المكونة من كأس خمر ونافذة وقطرة الماء
يُمكن تكوين مجموعة أكبر من الأنواع المختلفة للمُنحنيات من خلال توجيه شعاع ليزر عبر طبقة من البلاستيك المجعَّد أو المُموَّج مثل ذلك الموجود في الأغطية المحيطة بالمصابيح الفلورسنت في المكاتب. وإذا حركت الطبقة البلاستيكية مع الموسيقى فستُنتِج عرض ليزر ضوئيًّا مصغَّرًا. ويُمكنك أيضًا استخدام طبقة بلاستيكية شفافة مسطحة موضوع عليها كمية فوضوية من الغراء الشفاف. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن رؤية المنحنيات الضوئية المتحرِّكة في قاع حمامات السباحة عندما يتحرك ضوء الشمس عبْر الدوَّامات الموجودة على سطح المياه.
فما سبب تكوُّن الأشكال التي تراها في هذه الظروف المُختلفة؟ وهل يُمكن انقسام الأشكال إلى وحدات أساسية؟
لهذه البِنى الثلاثية الأبعاد ثلاثة أنواع، ولكل نوع «نقطة تفرُّد» يكون فيها المُنحنى في الشريحة في أقصى درجات الانضغاط. وإذا أخذت الشريحة لمكان آخر عبْر إحدى هذه البِنى الثلاثة، فعندها تُوصف البنية بأنها «غير مطوية».
يُمكن لضوء الشمس المُنعكِس على الجدار من نافذة أحد المباني أن يُكوِّن صورة مشابهة للشكل العام للنافذة لكن ذات حافات مُنحنية تُسمَّى طيات. وهذه الطيات إما أن تكون مقعَّرة أو محدَّبة اعتمادًا على إذا ما كانت النوافذ بارِزةً للداخل أم للخارج. فعندما تكون النافذة محدَّبة للخارج، يَخلق الانعكاس شكلًا بيضاويًّا؛ وعندما تكون مقعَّرة للخارج فإنها تكوِّن صليبًا ساطعًا. أما النافذة المكوَّنة من لوحَين زجاجيَّين والمُحتوية على كلا النوعين من المُنحنيات فمن المُمكن أن تُكوِّن كلا الشكلَين.
(٩٩) الظلال ذات الحافات والأشرطة الساطعة
بعد ذلك، أدخل قلم الرصاص عموديًّا في سطح الماء. واضبط العمق عند الطرف السُّفلي لقلم الرصاص. إذا كان الطرف قرب قاع حوض الاستحمام، فسوف يُكوِّن قلم الرصاص ظلًّا صغيرًا. لماذا تظهر نقطة ساطعة بدل الظل إذا حركت الطرف السُّفلي لأعلى نحو سطح الماء؟
لماذا تكوِّن الشَّعرة الطافية مجموعةً من أجزاء الظلال بعضُها حافاته عادية وبعضُها حافاته ساطعة؟
مرِّر إصبعًا أو قلم رصاص في ماء استحمام عمقُه ستة سنتيمترات على الأقل. لماذا يَظهر في قاع حوض الاستِحمام حلقات داكنة ذات حافات ساطعة. لماذا قد ترى ظلالًا مُشابهة على قاعِ حمام سباحة في ضوء الشمس عندما يَسبح فيه شخص أو يَخرج من الماء؟
يُمكن للشَّعرة الطافية أن تنتج ظلال النقانق، وحافات عادية، وحافات ساطعة اعتمادًا على طريقة تقوُّس سطح الماء على طول السطح.
فعندما تُحرِّك شيئًا عبْر الماء فإنك تترك دوامات غائرة تدور على سطح الماء. يكون الجزء الداخلي من الدوَّامة القريب من المركز مقعَّرًا وينشر الضوء فيخلق دائرة مُظلِمة في القاع الذي يكون فيه الضوء ضعيفًا. أما بعيدًا نسبيًّا عن الدوامة فإن السطح يكون محدَّبًا. يُسَلَّط الضوء المار في هذا الجزء على حافة الظل، فيَمنحها حدًّا ساطعًا. وإذا كانت المياه عميقة على نحوٍ كافٍ، فإن الحد يتمدَّد نحو شريط الضوء، وتصبح الحافات الداخلية والخارجية شديدة السطوع.
(١٠٠) أشرطة ساطعة وأشرطة قاتمة فوق جناح الطائرة
فما سبب تكوُّن هذه الأشرطة؟
أما الشريط القاتم الإضافي الذي وجدتُه فقد كان ناتجًا أيضًا عن أشعة الضوء المنزلقة على جبهة الصدمة والصادرة عن تفاصيل الجناح المُضاء بضوء الشمس. فعندما مرَّت الأشعة الآتية من تفاصيل الجناح المُجاوِرة عبْر نقطة الصدمة، انحنَت بكميات مختلفة. وانتشار الأشعة الناتج جعل المنطقة الواقعة بين التفاصيل قاتمة نسبيًّا، وكوَّن تجمع هذه النقاط القاتمة الشريط القاتم الذي رأيته.
قصة قصيرة
(١٠١) أمواج صدمية من سيارة ثراست إس إس سي النفاثة
عندما كسَرَت السيارة ثراست إس إس سي المزوَّدة بمُحرِّك نفاث الرقم القياسي للسرعة على الأرض عام ١٩٩٧ أثناء السباق على صحراء الصخرة السوداء في نيفادا، كانت سرعتها «خارقة للصوت» أي (أسرع من سرعة الصوت). لم يَقتصِر الأمر على سماع الجمهور دويًّا مرتفعًا ناتجًا عن اندماج الأمواج الصدمية من أجزاء مختلفة من السيارة، بل التقطت الصور الفوتوغرافية للسيارة علامات الأمواج الصدمية نفسها. كان من المفترض أن نرى في هذه الصور الفوتوغرافية منظرًا غير مشوَّه للتلال الواقعة خلف مسار السيارة، لكن عندما مرت أشعة الضوء القادمة من هذه التلال عبْر الموجة الصدمية في طريقها إلى الكاميرا، تغيَّرت اتجاهات انتقالها نسبيًّا بسبب اختلاف كثافة الهواء داخل الأمواج الصدمية. وأدَّى التغير في الاتجاه إلى تشويه صورة التلال في الخلفية؛ ومِن ثمَّ ظهرت الأمواج الصدمية. وفي إحدى هذه الصور الفوتوغرافية أستطيع أن أرى أربع موجات صدمية ممتدة لأعلى من السيارة.
(١٠٢) كاميرا ثقب الدبوس وكاميرا نقطة الدبوس
تتكون كاميرا ثقب الدبوس من فتحة صغيرة دائرية لا بد من مرور الضوء عبرها للوصول إلى الفيلم. فكيف يُمكِن لهذه الطريقة تكوين الصورة على الفيلم؟ كم يجب أن يَبلغ حجم ثقب الدبوس؟ يمكن لبعض الأسطح العاكسة الصغيرة، مثل شظية زجاج، أن تعمل بالطريقة نفسها لإنتاج الصورة.
يُمكنك عمل نسخة أكبر من كاميرا ثقب الدبوس من خلال السماح للضوء بالمرور من فتحة صغيرة في سلك النافذة إلى غُرفة مُظلمة، وقد ترى على الحائط البعيد صورة مقلوبة للمنظر الموجود خارج النافذة. كانت هذه التقنية أمرًا عجيبًا تمامًا في نظر الناس قديمًا.
نشر باتريك إيه كيب الأستاذ في جامعة نورث كارولينا في بيمبروك نسخة مُثيرة من هذه الظاهرة باستخدام كرة البينج بونج. في هذه التجربة تقوم باختصار بما يلي: (أ) ادهن نصف كرة البينج بونج باللون الأسود. (ب) اثقب حفرة قطرها مليمتران في مركز الجزء المسود. (ﺟ) لف ورقة سوداء من الورق المقوَّى على شكل أسطوانة أصغر نسبيًّا من الكرة. (د) ضع الكرة في أحد طرفَي الأسطوانة، واجعل نصفها الأسود مواجهًا للخارج. (ﻫ) الصق أسطوانة الورق المقوَّى وثبِّت الكرة في مكانها بمادة لاصقة دون أن تسدَّ الثقب. (و) انظر في الطرف المفتوح من الأسطوانة ووجه الطرف البعيد نحو مَشهد ساطع الإضاءة. سترى صورة مقلوبة للمشهد على جدار الكرة داخل الأسطوانة.
تتكوَّن كاميرا نقطة الدبوس من نقطة صغيرة مُعتمة موضوعة أمام فيلم (يُمكِن رسم النقطة على رقاقة بلاستيكية شفافة). والفتحة الكبيرة الموجودة أمام النقطة تعمل كفتحة الكاميرا التي تُحدِّد مدى الضوء المار إلى النقطة. فما نوع الصورة المتكوِّنة على الفيلم من هذه الطريقة؟
يمكنك أيضًا إعداد تجربة تَحجُب فيها نقطة الدبوس جزءًا من الضوء الصادر عن أنبوب فلوري يضيء شاشة. فما نوع الصورة المتكوِّنة على الشاشة؟
يعتمد الجواب على طريقة انتشار الموجة الضوئية من الجسم أثناء انتقالها إلى الفيلم. عندما تصل الموجة إلى سطح ثقب الدبوس يُقال إنها تنقسم إلى مناطق دائرية تتمركز كلٌّ منها على ثقب الدبوس. يصل الضوء عبْر المنطقة المركزية إلى الفيلم «مُتطاورًا» (أي متزامنًا)؛ ولذلك تميل الموجات إلى تعزيز بعضها بعضًا (أي يحدث لها «تداخل بنَّاء») وتُكوِّن صورة ساطعة.
إذا كان ثقب الدبوس متطابقًا مع المنطقة المركزية بالضبط، فستكون الصورة في أعلى معدلات السطوع. وإذا كان ثقب الدبوس أصغر، فإنه يحجب بعض الضوء المار عبْر المنطقة المركزية، وتكون الصورة أكثر قتامة. وإذا كان ثقب الدبوس أكبر، فإنه يَسمح بوصول جزء من ضوء المنطقة التالية إلى الصورة على الفيلم. ونظرًا لأن أشعة الضوء تسلك مسارات قاتمة أكثر طولًا فإنها تصل «غير متطاورة» مع أشعة المنطقة المركزية (على نحو غير مُتطاور). ونتيجة لذلك، فإن الموجات يلغي بعضها بعضًا (أي تتعرض إلى «تداخل هدَّام»)؛ مما يجعل الصور قاتمة. والحل الأفضل يتمثل في أن يكون ثقب الدبوس صغيرًا على نحو يكفي لمرور الضوء عبْر المنطقة المركزية فقط. في هذه الحالة ستكون الصورة ساطعة وحادة على نحوٍ كافٍ.
تُلقي النقطة المعتمة في كاميرا نقطة الدبوس نقطة ظلِّية على الشريط لكل مصدر ضوء صَغير على الجسم المواجه للكاميرا. وتكون هذه النقاط الظلِّية مجتمعة «صورة ظلِّية» (أو «صورة سالبة») للجسم.
وإذا وقعت النقطة بين أنبوب فلوري وشاشة، فإن الصورة الظلِّية للأنبوب تظهر على الشاشة. فالنقطة تلقي ظلًّا لكل جزء من أجزاء الأنبوب على الشاشة، وهذه الظلال مجتمعة تكوِّن صورة قاتمة للأنبوب. ولا تكوِّن الصورة مظلمة بالكامل لأن معظم الأنبوب ما زال يُضيء كل جزء فيها.
(١٠٣) الصور الشمسية تحت الشجرة
أثناء كسوف الشمس، ما الذي ينتج صورًا كثيرة صغيرة للشمس في الظل الممدود من الشجرة؟ هل يوجد صور للشمس في ظل الشجرة في أوقاتٍ أخرى؟ لماذا تحت ظل أوراق الأشجار العالية تظهر صور ظلية للأوراق تكون ذات حافتين متداخلتين في بعض الأحيان؟ لماذا لا تظهر تلك الصور الظلية أسفل الأشجار الأقصر طولًا؟
أما ظل ورقة الشجرة الذي نراه أسفل ظلِّ أوراق أشجار عالية فيتكوَّن بسبب ورقة توجد على ارتفاع مُنخفِض ينيرها ضوء الشمس المتدفق من ثقب أعلى في هذه الظلة. وإذا أضاء ثُقبان علويان ورقة شجرة موجودة على مستوى ارتفاع أقل، فمن الممكن أن ترى صورتَين ظلِّيتَين مُتداخلتَين، فتكون صورة حافة الورقة موضوعة داخل صورة أخرى لحافة الورق.
(١٠٤) الأضواء عبْر سلك النافذة والخطوط بين الإصبعين
إذا أزلت الثقب بحيث يسقط الضوء غير المترابط الصادر عن مصدر الضوء (المصباح مثلًا) مباشرةً على الفتحة الضيقة، فإن نسق الحيود يختفي. وسوف يستمر الضوء في التوهُّج عند الفتحة الضيقة، لكن يتغير التوهج بين لحظة وأخرى مع مرور موجات الضوء غير المُتناسقة مرورًا عشوائيًّا عبْر الفتحة. وسترى على سطح المشاهدة إضاءة لا ملامح لها.
(١٠٥) خدوش ساطعة وشِباك ملونة
إذا وُجدَت شبكة عنكبوت قريبة من نظرك للشمس فلماذا تبدو ملونة، ولماذا تَختلف الألوان إذا غيرت زاوية رؤية شبكة العنكبوت؟ (قد تبدو الألوان باهتة؛ وستتمكَّن من رؤيتها على نحو أفضل في حالة وجود خلفية قاتمة لشبكة العنكبوت، لكن لا بد أن تكون شبكة العنكبوت في ضوء الشمس المباشر.)
وإذا كان الخدش على اليسار أو اليمين مباشرةً من الشمس، فسوف تكون في مروحة الضوء المشتَّت فقط إذا كان الخدش عموديًّا. وإذا كان الخدش فوق الشمس أو تحتَها، فسوف تكون في مروحة الضوء المشتَّت فقط إذا كان الخدش أفقيًّا. ويُمكِنُنا تعميم هذا المطلب. فمن أجل رؤية الخدش يجب أن يكون مماسيًّا لدائرة حول منظورك للشمس. وهكذا، عندما ترى الكثير من الخدوش القصيرة تتوهَّم أنها موجودة فعليًّا في دوائر محيطة بالشمس. أما إذا كانت هذه الخدوش مجتمعة، فمِن المُمكن أن تبدو وكأنها تُكوِّن خطًّا شعاعيًّا يمتدُّ من الشمس.
يُمكن أن تكون في مروحة الضوء المشتَّت من الخدش فقط عندما يكون الخدش قريبًا من رؤيتك للشمس. وبدون ذلك فلن ترى الضوء المشتَّت، وفي هذه الحالة عادة ما تُصبح الخدوش غير ملحوظة.
أما حالات نوافذ الطائرات المخدوشة المتطرِّفة فحدثَت عندما حلَّقت الطائرة بالصُّدفة في عمود رماد أحد البراكين المُنفجِرَة. على سبيل المثال، حلَّقت طائرة جامبو نفاثة عبر عمود رماد بركان جبل جالونجونج في إندونيسيا، مما تسبَّب في تعطُّل المحرِّكات الأربعة واحتكاك الرمال بنوافذ مقصورة الطيار. تمكَّن الطيار من إعادة تشغيل ثلاثة من المحركات وتوجَّه إلى الهبوط الاضطراري في جاكرتا في الظلام. إلا أنه لم يستطع الرؤية من خلال النوافذ. واضطرَّ إلى الاعتماد على الطيار المساعد الذي كان يُحدِّق خلال مليمترات قليلة غير مخدوشة في النافذة محاولًا محاذاة الطائرة مع أضواء المدرج.
عندما تُوجد شبكة عنكبوت بالقرب من منظورك للشمس فإن الضوء يتشتَّت (يحيد) من الخيوط الحريرية وأيضًا من الكرات اللزجة التي يتركها العنكبوت على بعض الخيوط للإيقاع بالفريسة. والتشتُّت الصادر عن الخيوط الحريرية يُشبه كثيرًا التشتُّت الصادر عن الخدش الموجود على النافذة؛ فالضوء المشتَّت يتوهج للخارج في المروحة. أما التشتُّت في الكرة اللزجة فهو على هيئة مخروط من الضوء. وفي أي نوع من نوعَي التشتُّت يختلف المدى الزاوي للتشتُّت باختلاف الطول الموجي، وهذا يَعني أن التشتُّت يُمكن أن ينشر ضوء الشمس الأبيض القادم إلى نسق ألوان مميَّزة. ومع تغيير منظورك لشبكة العنكبوت، يُمكنك تغيير الألوان التي تراها. وانتشار الألوان نفسه يُمكن أن يجعل الخدوش الساطعة على النافذة تبدو ملوَّنة.
(١٠٦) الخطوط الساطعة على الزجاج الأمامي للسيارة
غالبًا ما يَبدو الخط الصادر عن المصباح أو الشمس عميقًا؛ فيبدو مثل طريق مستقيم يَقود من الزجاج الأمامي للسيارة إلى مصدر الضوء. وعندما يكون الخط مُنحنيًا، فإنه يشبه طريقًا يمتد على طول أحد الأودية صعودًا إلى أحد التلال. فما سبب هذا الخط وما الذي يَمنحُه العُمق؟
يُمكن رؤية مجموعة أخرى من الخطوط أو البُقَع الباهتة على زجاج السيارة الأمامي ليلًا. يُمكن أن تكون البقع موزعة عشوائيًّا لكنها تكون منظمة أحيانًا في شكل خط مستقيم أو مُنحنٍ. وأحد أنواع هذه الخطوط يبدو كما لو كان يمرُّ عبْر مصدر الضوء مثل الخط الموصوف للتو، لكنه ليس متجهًا نحو أي نقطة معينة على زجاج السيارة الأمامية وفي بعض الأحيان يُمكن رؤيته عبْر أنواع أخرى من النوافذ. ومن المُمكن أن ترى هذه الخطوط أيضًا عبْر النظارات.
يبدو الخط عميقًا لأن كل عين ترى في واقع الأمر خطًّا مُختلفًا. ويكون الفاصل بين الخطين أصغر ما يكون عند الطرفَين القريبَين من منظورك إلى مصدر الضوء، ويكون أكبر ما يكون بالقُرب من نقطة دوران المسَّاحة. وإذا مزج عقلك الصورتين في صورة واحدة فسوف يرى الأجزاء ذات الفواصل الكبيرة على أنها أقرب من الأجزاء ذات الفواصل الصغيرة. وقد يبدو مظهر العُمْق غريبًا على مصدر إضاءة واسِع، لأنَّ الخط في هذه الحالة سيكون أوسع ما يكون قرب منظورك لمصدر الإضاءة، لكن هذا الجزء من الخط سيَبدو أكثر بُعدًا. والنتيجة هي النقيض تمامًا من المسافة والعرض الظاهرَين اللذَين قد تراهما في مسار حقيقي يَمتدُّ بعيدًا عنك.
أما البُقَع الساطعة فهي بسبب الانعكاسات أو التشتُّت من مناطق المادة اللزجة. وإذا كانت المنطقة مُنحنية، فسوف ترى بعضًا من الضوء ومِن ثَمَّ ترى البقعة.
(١٠٧) انعكاسات أسطوانة الفونوغراف
ضع أسطوانة مصنوعة من الفينيل على طاولة واضبطها بحيث يكون مركزها في المنتصف تقريبًا بينك وبين مصباحٍ مكتبي صغير يشعُّ ضوَءُه على الأسطوانة. اجعل الغرفة مظلمة، وأَغمِض إحدى عينَيك وانظر إلى الانعكاسات الموجودة على الأسطوانة. ستجد أنَّ السطح ليس ساطعًا بالتساوي ولا توجد عليه بقعة واحدة ساطعة مثلما سيَحدُث على المرآة. بل ستجد نسقًا من الخطوط الضيقة الساطعة.
وبتعديل مكان الأسطوانة يُمكنك تكوين نسق يُشبه الصليب أو نسق يَحتوي على خطٍّ أو خطَّين من القطوع الزائدة على الأسطوانة. وفي كلتا الحالتين يمر خط واحد على الأقل عبر مركز الأسطوانة. وفي بعض الأحيان سترى بقعة شديدة السطوع على الأسطوانة، وتوجد دائمًا على الخط المار بالمركز. وأحيانًا يُمكن أن ترى بقعًا ساطعة مشابهة على الستائر المعدنية عندما تنظر عبرها على مصباح الشارع ليلًا. هل يُمكنك تفسير هذه المشاهدات؟
تُشبه أنماط الانعكاس الموجودة على الأسطوانة خط الضوء الذي تراه على الزجاج الأمامي للسيارة (انظر البند السابق)، وإذا كان مصدر الضوء ساطعًا بما يَكفي، فقد ترى العمق في الأنماط كما هي الحال في خطِّ الضوء على زجاج السيارة الأمامي.
(١٠٨) الألوان على الأشياء ذات الحفر الضيقة
عندما يضيء الضوء الأبيض أحد الأقراص الموسيقية أو أقراص الأفلام أو أنواعًا معينة من الورق المحتوي على أشكال زخرفية تكون الانعكاسات ملوَّنة بشدة. ومن المُمكن أن ترى الألوان أيضًا من أسطوانة فينيل موسيقية إذا أمَلْتَها في الضوء على نحوٍ صحيح.
على الرغم من أن مِصباح الشارع قد يبدو أنه يشعُّ إما الضوء الأبيض أو الضوء الأصفر، فمن الممكن رؤية وتصوير الألوان العديدة المكوِّنة للإشعاع إذا أضفت إلى عدسة الكاميرا الفوتوغرافية «محزز حيود» (وهو قطعة بلاستيكية ذات حفر أو شقوق ضيقة كثيرة). تبدو الصورة المُباشِرة للمِصباح كما هي مرئية عبْر الكاميرا عادية، إلا أنَّ طيفًا من الألوان المكوِّنة يمتدُّ إلى الخارج على كلا جانبَي هذا المنظور.
وفي كلتا الحالتَين، لماذا يُصبح الضوء المبدئي ملوَّنًا في النهاية؟
ولكي يُوجد انفصال ملحوظ بين الألوان لا بد أن يكون انفصال الحفر في منظورك (ومن في «منظور» المصباح) صغيرًا وتقريبًا في حجم الطول الموجي للضوء المرئي. إذا لمع الضوء مباشرة على أسطوانة الفينيل ونظرتَ أيضًا إلى أسفل مباشرة، فسوف تكون المسافات الفاصلة بين الحفر على الأسطوانة واسعة جدًّا على نحو يَحول دون تكوُّن الألوان، ولن ترى إلا سواد بلاستيك الأسطوانة المصبوغ. ولفَصلِ الألوان المكوِّنة للضوء الأبيض، يجب أن تضبط شعاع الضوء المبدئي ومنظورك للأسطوانة بحيث يكونان تقريبًا على طول سطح الأسطوانة. وفي هذه الحالة ستكون المسافات بين الحفر على طرفَي الأسطوانة القريب والبعيد قريبةً في منظورك (ومنظور المصباح) على نحو يكفي للفصل بين الألوان.
(١٠٩) الوسائل المتغيرة بصريًّا المانعة للتزييف
من السمات الأمنية في بطاقات الائتمان ورُخَص القيادة وأنواع كثيرة من بطاقات التعريف الأخرى «العرض المتغير» الذي يتغير عند إمالة البطاقة. وغالبًا ما يُطلَق على هذا العرض المتغير «هولوجرام»، وهو نوع من التصوير الفوتوغرافي الذي يمنح عمقًا ومنظورًا للصور. في الواقع، كانت النسخ الأولى من هذه العروض المتغيِّرة على البطاقات الائتمانية من نوع الهولوجرام. إلا أن استخدام عروض الهولوجرام كإجراء أمني لم يكن ناجحًا للغاية لسببَين. أولًا: كانت عروض الهولوجرام مُعتمة ومُظلِمة وصعبة الرؤية في إضاءة المتاجر التقليدية. ثانيًا: الأسوأ من ذلك كان سهولة الحصول على نسخ أخرى منها بالتزييف. أما الآن فالعروض المُتغيِّرة ساطعة وواضحة ومن السهل رؤيتها في إضاءة المتاجر. والأفضل من ذلك أنه من الصعب للغاية تزييفها. فكيف أصبحت العروض المُتغيِّرة ساطعة وغير قابلة للتزييف؟
من الصعب جدًّا تصميم الرسوميات المتغيرة بصريًّا لأن المهندسين البصريِّين يحتاجون إلى العمل على نحو معكوس عند تصميم أحد الرسوميات التي مِن بينها الشعار على سبيل المثال؛ إذ يجب على المهندسين تحديد صفات محزز الحيود عبْر الرسوميات المتغيرة بصريًّا من أجل رؤية صورة معينة عند النظر من مجموعة زوايا معينة، وظهور صورة مختلفة عند النظر من مجموعة زوايا مشاهَدة مختلفة. هذا العمل يتطلب برمجة حاسوبية معقدة. وبمجرد تصميم الرسوميات المتغيرة بصريًّا تكون بِنيَتُها بالغة التعقيد على نحو يَجعل تزييفها شديد الصعوبة.
(١١٠) الحلقات الملوَّنة الصادرة عن المرايا التي يُغطِّيها الضباب أو التراب
بعد أخذ حمام ساخن وتَغطية البُخار لمرآة الحمام، أطفئ الأنوار، وواجه المرآة وأشعل عود ثقاب بعيدًا نسبيًّا عن أحد جانبَي رؤيتك المباشرة للمرآة. ستكون صورة اللهب في المرآة الضبابية محاطة بحلقات ملوَّنة. وسترى أيضًا هذه الحلقات إذا كانت المرآة مغطَّاة بالتراب أو بمسحوق بدلًا من قطرات الماء.
بعد ذلك اجعل المرآة الضبابية أمامك في غرفةٍ مُعتِمة ذات نافذة ساطعة الإضاءة وراء ظهرك. واضبط المسافة بينك وبين المرآة إلى أن ترى حلقات فوق انعكاسك فيها. وعند المسافة المناسبة، أجد أن صورة عينيَّ حلَّ بدل كلٍّ منهما مجموعة من الحلقات الملوَّنة التي تُشبه الرسوم الناتجة عن تناول عقاقير الهلوسة. ومرةً أخرى، من الممكن أن تحل المرآة المتربة محل المرآة الضبابية.
فما سبب تكوُّن هذه الحلقات؟
في أحد الترتيبَين، تتمركز الحلقات على مصدر ضوء صغير محمول على جانب منظورك للمرآة. في هذا الترتيب يُشتِّت كل جُسَيم الضوء إلى المرآة مرة أخرى وفي نسق دائري يكون المركز فيه ساطعًا وتتبدل فيه الحلقات المحيطة بين السطوع والقتامة. ونظرًا لأن زاوية التشتُّت تَعتمِد على الطول الموجي للضوء، فإن الألوان تظهر عند زوايا مُختلفة؛ ومِن ثَمَّ تكون منفصلةً في منظورك. وبالتحديد، فإن اللون الأحمر يظهر عند الحافة الخارجية للحلقة ويَظهر اللون الأزرق عند الحافة الداخلية؛ لأن الضوء الأحمر يتشتَّت عبْر زاوية أكبر نسبيًّا مقارنة باللون الأزرق. وأنت في واقع الأمر لا ترى إلا جزءًا من النسق من كل جسيم، لكن مجموع كل جزء من أجزاء الجسيمات الكثيرة هو في حد ذاته نسق دائري تراه متمركزًا على الصورة المنعكسة لمصدر الضوء.
وتتداخَل هاتان المجموعتان عندما تَصِلان لك. مع بعض الجُسَيمات تصل المجموعتان إلى عينَيك غير مُتطاورتَين وفي تداخل هدَّام؛ أي تُلغي إحداهما الأخرى. أما مع الجسيمات الأخرى، فتصل المجموعتان مُتطاورتين وفي تداخل بنَّاء، فتُعزِّز إحداهما الأخرى. أما النسق المركب فهو حلقات ساطعة وقاتِمة متَّحدة المركز، تكون فيها الحلقات الساطعة ملونة بسبب انفصال الألوان البسيط الذي ينطوي عليه تشتت الضوء.
ويَعتمِد نوع نسق التداخل الذي تراه على اتجاهك واتجاه مصدر الضوء. ويمكن أن يحدث تداخل بين النسقين إذا وضعت مصدر ضوءٍ صغيرٍ مباشرةً بين عينَيك وبين المرآة.
(١١١) لون اللبن في الماء
سلِّط شعاعًا ضيقًا من الضوء الأبيض ليَسطَع عبْر حوض سمك صغير (أو أي وعاء آخر جدرانه شفَّافة ومسطَّحة) مملوء بالماء. أثناء انطفاء الأضواء، ابدأ في إضافة قطرات من اللبن الكامل الدسم (وليس اللبن قليل الدسم). في البداية، سترى قدرًا قليلًا من الشعاع في الماء، لكن سرعان ما سيُصبِح الشعاع مرئيًّا جيدًا. ومع الاستمرار في إضافة القطرات، لاحظ لون الشُّعاع في الماء من الجانب ومِن زاوية شبه مباشرة نحو مصدر الضوء. وفي النهاية ستجد أن الشعاع ضارب إلى الزُّرقة عندما تنظر من الجانب وضارب إلى الحُمْرة عندما تنظر له مباشرةً. فما سبب تكوُّن هذه الألوان؟ لماذا يكون اللبن الذي تَشربه أبيض اللون وليس أحمر أو أزرق؟
تَعتمد رؤيتك للألوان على التركيز المُنخفِض للكريات. فعندما يكون تركيز الكريات عاليًا كما هي الحال عادةً في اللبن، فإن الضوء يتشتَّت مرات عديدة قبل أن يُغادِر الوعاء. وبعد ذلك، تستقبل في أي اتجاه رؤية قدرًا من الطرف الأحمر للطيف مساويًا لقَدرِ الطرف الأزرق من الطيف، وتكون النتيجة المُجتمعة هي اللون الأبيض.
عند إمالة كوب يَحمل قدرًا قليلًا من اللبن بحيث تكون حافَّة اللبن في قاع الكوب، سوف ترى شريطًا شفافًا ساطعًا على الحافة. يوجد الشريط في المنطقة التي يُكوِّن فيها اللبن سطحًا مقوسًا لأنه يتسلَّق سطح الزجاج لمسافة قصيرة. يتَّسم الضوء المنعكس من السطح المنحني بالتركيز؛ ومِن ثمَّ يكون أكثر سطوعًا من الضوء المنعكس من بقية سطح اللبن. وهذا الضوء المركز يُخفي التشتُّت بفعل الجُسَيمات الموجودة داخل اللبن، ولذلك لا ترى بياض اللبن في هذا الشريط حول القاع.
(١١٢) لون دخان نار المخيم
عند رؤية الدخان المتصاعد من نار مخيَّم على خلفية قاتمة مثل الأشجار المحيطة يكون لون الدخان أزرق، لكن عند مشاهدته على خلفية فاتحة مثل السماء يكون لونه أصفر أو أحمر أو برتقالي. فما سبب اختلاف الألوان في كل ظرف من ظرفَي المشاهَدة؟
(١١٣) تأثير شراب الأوزو
تُظهِر بعض المشروبات الكحولية المُستخلَصة من اليانسون مثل شراب «الأوزو» في اليونان، وشراب «باستيس» في فرنسا، وشراب «الراكي» في تركيا، وشراب «سامبوكا» في إيطاليا سلوكًا غريبًا؛ فعند إضافة الماء تدريجيًّا إلى الشراب الشفاف تمامًا يتحوَّل الشراب فجأة إلى لون بياض اللبن. فما سبب هذا التغيُّر؟ أي ما الذي يفعله الماء، وما سبب التغير في مظهر الشراب؟ يمكن عكس هذا التأثير عند إضافة المزيد من الكحول.
(١١٤) ألوان البقع الزيتية وأغشية الصابون وآنية الطهو المعدنية
لماذا البقع الزيتية الموجودة على الشوارع المبتلَّة تُظهر الألوان؟ ولماذا تغيب هذه الألوان لو كان الشارع غير مُبتل؟ ولماذا يُمكن أن تتكون الألوان حتى في حالة احتجاب الشمس وراء السحب؟
لماذا أغشية وفقاقيع الصابون ملوَّنة؟ ولماذا تختفي الألوان عندما يكون الغشاء شديد الرقة أو السُّمك؟ ولماذا لا ترى ألوانًا مُشابهة من شريحة المجهر أو اللوح الزجاجي؟
افترض أن غشاءً صابونيًّا رقيقًا معلَّقًا رأسيًّا ومضاءً من الأمام من خلال شعاع ضوء أبيض. مع سحب الجاذبية للغشاء، ستبدأ الأشرطة الملوَّنة الأُفقية الموجودة على الغشاء في النزول لأسفل؛ ومِن ثَمَّ سيتحوَّل الجزء العُلوي إلى الأسود (شريطة أن تكون الخلفية وراء الغشاء قاتمة). فكيف يُمكِن أن يُصبح الغشاء أسود رغم الإضاءة الساطعة الواقعة عليها من المقدمة؟ إذا فحصت المنطقة السوداء جيدًا، من المُمكن أن تجد نقاطًا شديدة السواد. فلماذا تظهر هذه المناطق؟ ولماذا الشريط الموجود أسفل المنطقة السوداء أبيض اللون وليس أزرق؟ (اللون الأزرق له أصغر طولٍ مَوجيٍّ مرئي؛ ومِن ثمَّ يجب أن يتوافق مع الجزء شديد الرقة من الغشاء الواقع أسفل المنطقة السوداء.)
في بعض الأحيان تُوجد مناطق ملوَّنة على آنية الطهو رغم تنظيفها بعناية. فما سبب تكون هذه الألوان؟ وتظهر ألوان مشابهة عند تسرُّب الزيت من سطح معدني مَصقول. فلماذا لا تظهر مثل هذه الألوان عندما يكون السطح غير مصقول؟
سُمك الغشاء من العوامل التي تحدد إذا ما كان لون معين سيتمتَّع بالسطوع أم لا؛ ومِن ثَمَّ فعندما تسحب الجاذبية غشاءً رأسيًّا وتجعله أكثر سمكًا عند القاع تبدأ ألوان مختلفة في الظهور عند ارتفاعات مختلفة. وإذا غيَّرتَ منظورك للغشاء فإنك تُغيِّر المسافة التي يقطعها الضوء عبْر الغشاء ليصل إليك. ومِن ثَمَّ، فإنك تُغيِّر الألوان التي تسطع. والعروض الملونة التي تغير الألوان مع تغير زاوية الرؤية تُوصَف بأنها «قزحية» اللون. (أما القميص الأزرق الذي اكتسب زُرقته من الصبغة فلا يوصف بأنه قزحي اللون.)
يمكن أن ترى ألوانًا قزحية على بقعة الزيت إذا كوَّن الزيت طبقة أفقية رقيقة على الماء. ويُمكن أن تكون الألوان واضحةً حتى عندما تكون الشمس محتجبة، شريطة أن يكون جزء من السماء أكثر سطوعًا من بقية السماء. أما إذا وقَع الزيت على شارعٍ جاف، فإن السُّمك يَختلف عبْر الطبقة بسبب الملمَس الخَشِن للشارع الواقع أسفل طبقة الزيت. تتداخل الألوان المختلفة السُّمك، ويصبح النسق باهتًا وربما عديم اللون.
أما في الجزء العلوي من البالوعة فيصبح غشاء الصابون الرأسي أكثر رقة من الطول الموجي للضوء، وتُلغي كل موجات الضوء الصادرة عنه بعضها بعضًا على نحو شبه كامل، ويُصبِح الجزء العلوي أسود. يُمكن أن يتوقف هذا الترقق لحظيًّا في هذه المرحلة لسببين: (١) طبقات جزيئات الصابون على جانبي الغشاء المتُقابلَين أصبحت الآن متقاربة على نحو يكفي للتنافُر كهربائيًّا. (٢) جزيئات الماء على طول كل سطح أصبحت مرتَّبة على نحو واضح (ترتيبًا يشبه نسبيًّا الترتيب الموجود في البلورة الجليدية) وبدأت في التداخل. ونظرًا لأن التداخل يتطلب طاقة، فإن الترقق يميل إلى التوقُّف عند هذه المرحلة. وعلى الرغم من هذه الأسباب، فإن الطبقة الرقيقة تكون غير مستقرة ومن المحتمل أن تنهار فجأة وتنفجر. إلا أنه إذا احتوى الغشاء على شوائب مشحونة، فقد يتمكَّن من زيادة الترقق دون الانفجار. وهذه المناطق تكون أجزاءً شديدة السواد في المنطقة السوداء الرقيقة.
ويتَّسم الشريط أسفل المنطقة السوداء بالزرقة الباهتة؛ لأن الضوء الأزرق يتعرَّض إلى «تداخل هدَّام جزئي» (فالموجات شبه مُتطاورة؛ ومِن ثَمَّ يُعزِّز بعضها البعض نسبيًّا). إلا أنه من الصعب رؤية اللون الأزرق، وقد تجد أن أول شريط يُمكن تمييزه أسفل المنطقة السوداء هو اللون الأبيض. وفي هذا الجزء يتمتَّع الغشاء بسُمك يسمح لكل ألوان الطيف المرئي بالتعرض لتداخُلٍ بنَّاء جزئي، ويبدو تجمُّعهم باللون الأبيض. وأسفل الشريط الأبيض نجد شريطًا لونه أحمر مُصفرٌّ (برتقالي)، ثم نجد شريطًا لونه أحمر مُزرقٌّ (أرجواني). بعد ذلك فقط نجد شريطًا يكاد يكون لونه أزرق صافيًا.
ومع تسرب الغشاء وازدياد سُمكه عند القاع، تبدأ الأشرطة الملوَّنة في القاع في التداخل. وفي النهاية يكون التداخل كافيًا لإزالة الألوان، ويُصبح ذلك الجزء من الغشاء أبيض.
إلا أن الأشرطة الملوَّنة لن تظهر حتى لو حوَّلنا مصدر الضوء إلى لون صافٍ. والمشكلة هي الانبعاثات العشوائية للموجات الضوئية من أي مصباح عادي. فمِن لحظة إلى أخرى، تَنبعِث أطوال موجية قصيرة (يُطلَق عليها «قطارات مَوجيَّة») من المصباح. وإذا كان الغشاء رقيقًا لدرجة تجعل الأمواج المُنعكِسة من السطح الأمامي والسطح الخلفي جزءًا دائمًا من القطار المَوجِي نفسه، ففي هذه الحالة يُمكن حدوث نوع معين من التداخل ويمكن إنتاج شريط ملون ثابت. أما إذا كان الغشاء أكثر سمكًا، فمن الممكن أن تكون الموجتان المنعكستان من قطارَين مَوجيَّين «مختلفين» ومِن ثَمَّ يُمكن أن يتحوَّل التداخل عشوائيًّا من بنَّاء في لحظة إلى هدَّام في اللحظة التالية. ومِن ثَمَّ لا يُمكِن أن يتكوَّن شريط ثابت اللون؛ ولهذا السبب لا تحدث أنماط التداخل والتقزُّح في الأغشية السميكة وشرائح المِجهر وألواح النوافذ الزجاجية وأكواب الشرب الزجاجية، وما إلى ذلك.
غالبًا ما تظهر الأشرطة الملوَّنة على آنية الطهو المعدنية الجافة بسبب وجود طبقات رقيقة من أكسيد المعدن. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان المعدن يَحتوي على طبقة رقيقة من الزيت وكان لامعًا، فمن المُمكِن أن تنتج طبقة الزيت تداخلًا في الألوان. ورغم ذلك، إذا كان السطح خشنًا، فإن الضوء المنعكِس من السطح الخلفي لطبقة الزيت يتشتَّت في اتجاهات عشوائية؛ ومِن ثمَّ يُدمر عرض الألوان.
(١١٥) الألوان الهيكلية للحشرات والأسماك والطيور ومؤخِّرات القردة
يتَّسم عصفور الكناري باللون الأصفر نظرًا لوجود صباغ في ريشه يمتصُّ كل الألوان المكوِّنة للضوء الأبيض ما عدا اللون الأصفر. ومعظم الألوان التي نجدها في عالمنا اليومي، بما في ذلك ألوان الحيوانات، يعود إلى صبغة مشابهة. إلا أن كثيرًا من الحيوانات لا يعود تلوُّنها إلى الصبغة، إنما إلى سمة بصرية غريبة لتركيبة سطحها الخارجي (مثل الجناح أو القوقعة أو الريش أو الجلد … إلخ). فما سبب التلون في الأمثلة التالية؟
بعض الفراشات والحشرات لها أجنحة قزحية اللون؛ أي تتغير ألوانها مع تغيير زاوية الرؤية. ومن الأمثلة الجميلة جناح فراشة المورفو. فعلى الرغم من أن الصباغ على الجناح بني اللون (كما يبدو على السطح السفلي للجناح)، فإن السطح العُلوي أزرق متقزِّح ساطع.
تستخدم سمكة الرنجة خصائص بصرية شبيهة (لكنها أكثر تعقيدًا نسبيًّا) لتجعل نفسها بيضاء فضية. ومن مزايا هذا التلوُّن أن المفترس يجد صعوبة بالغة في تمييز سمكة الرنجة في الماء.
تُظهر بعض الخنافس الدوارة الاستوائية انعكاسًا قويًّا لضوء الشمس (الأبيض) عند مُشاهدتها من زاوية معينة، لكن تُظهر ألوانًا قزحية لافتة للانتباه عند مشاهدتها من زوايا أخرى. تُظهر أنواع أخرى عديدة من الخنافس انعكاساتٍ قوية وألوانًا قزحية مشابهة. لعل أكثر الألوان الهيكلية إثارة هي تلك التي تظهرها خنافس سكارابيدا التي يعمل سطحها كنوع من البلورات السائلة ليَعكِس ضوءًا ساطعًا لألوان متعدِّدة. على النقيض من ذلك، تستخدم الخنافس النمرية خصائص بصرية لإخفاء نفسها من خلال الاقتصار على عكس الألوان المُتوافِقة مع التربة المحلية.
تتميز بعض الثدييات بجلد ملوَّن ساطع. على سبيل المثال، يتسم قرد الماندريل الذكر بجلد أزرق على الوجه والعجز والصفن. وعلى الرغم من سطوع هذا اللون فإنه ليس قزحيًا.
يُستخدَم نوع مختلف من الخصائص البصرية لتكوين المناطق الزرقاء والمناطق البيضاء في يرقات الخيام ولتكوين اللون الأزرق في طائر القيق الأزرق.
لون الجناحَين الأماميَّين لخنفساء هرقل إما أصفر أو أسود اعتمادًا على الرطوبة. وإذا تغيَّرت الرطوبة فجأة فلن تحتاج الخنفساء إلا دقائق قليلة لتغيِّر لونها.
لون سمك الرنجة يعود أيضًا إلى التداخل البصري بفعل الحراشف، لكن توجد ثلاثة ترتيبات لتداخل الحراشف، يُسفر كلٌّ منها عن تداخل بنَّاء للضوء المنعكس في جزء مختلف من الطيف المرئي. وعندما ترى هذه الأنواع الثلاثة من الانعكاسات الساطعة، فإنك تراها باللون الأبيض عند اجتماعها. إلا أن هذا البياض يختلف عن اللون الأبيض العادي نظرًا لوجود تغيُّر بسيط في اللون عند تغيير زاوية رؤيتك للسمك. ويكون من الصعب تحديد مكان سمكة الرنجة في الماء؛ لأن الضوء المنعكس يشبه تقريبًا الضوء المحيط بها تحت الماء.
يُغطي سطح الخنفساء الدوارة الاستوائية حراشف ضيقة مصطفَّة كما لو كانت محزز حيود، وهذه وسيلة بصرية تتكوَّن عادةً من العديد من الشقوق الرفيعة المتوازية التي تنتج نسقًا متداخلًا. إذا نظرت إلى الجزء الساطع المركزي في نسق حيود الخنفساء، فسوف ترى الضوء الأبيض الساطع. وإذا رأيت الأجزاء الساطعة البعيدة عن المركز، فسوف ترى الألوان التي انتشرت بفعل الحيود على نحو يَسمح بتمييزها. وعندما تدور إحدى هذه الخنافس في الماء، تحدث تغيُّرات سريعة في الشدة واللون؛ مما يمكن أن يتسبَّب في ارتباك المفترس.
لا تعود انعكاسات خنفساء سكارابيدا إلى الحراشف، بل إلى ترتيب غريب للويفات دقيقة. فهي مرتبة في طبقات، ومحاذاة كل طبقة تختلف عن الطبقة التالية. وعندما يخترق ضوء الشمس الطبقات، فإن الانعكاسات الصادرة عن الطبقات التي يَفصل بينها مسافات مناسبة تتعرض للتداخل البنَّاء وتخرج من الخنفساء في صورة ضوء ملوَّن ساطع.
من المُمكن أن تبدو الخنافس النمرية بُنِّية أو سوداء في عينك (لتُوافِق التربة الموجودة فيها)، لكنَّها في الحقيقة متعدِّدة الألوان. على سبيل المثال، تحتوي أغطية جناح الخنفساء النمرية المسماة «سيسينديلا أوريجونا» على بُقَع دائرية لونها أخضر مزرق مُحاطة باللون الأحمر. وكلا اللونَين ناتجان عن تداخُل راجع إلى الحراشف الشبيهة بالجليدة الموجودة على الجناح. وعندما ترى الخنفساء على الطبيعة يَدمج جهازك البصري الألوانَ المرئية ويَجعلُك تُدرك اللون البني. ويحدث دمج شبيه للألوان من المناطق الصغيرة جدًّا التي لا يُمكن إدراكها على حدة عندما تُشاهِد الشاشات الملوَّنة واللوحات التنقيطية.
يعود لون الجلد الأزرق في قرود الماندريل وغيرها من الثدييات الأخرى إلى الترتيب الدوري نسبيًّا (أو شبه الدوري) لألياف الكولاجين في الأدمة. وفي أي منطقة مجهرية، تكون هذه الألياف متوازية ولديها عرض ومسافات بينية يُشتِّتان الضوء الأزرق خارج الجلد. أما في الأماكن الأخرى مثل الوجه فتكون ألياف الكولاجين متشعِّبة لدرجة أن الأزرق يُسيطر على الضوء الخارج من الجلد. وفي أماكن أخرى مثل العجز تكون كمية ألياف الكولاجين أقل، لكن تكون هذه الطبقة واقعة على ميلانَين يمتصُّ الضوء المار عبْر الكولاجين. ونظرًا لوجود الخلفية الداكنة المُتمثِّلة في الميلانَين، يكون الضوء الأزرق الخارج من الجلد لافتًا للنظر. ورغم ذلك، لا يكون هذا اللون قزحيًّا، فالتقزُّح يتطلب ترتيبًا أكثر انتشارًا لمناطق التشتيت.
السبب في المنطقة الزرقاء الموجودة على يرقة الخيام هو تشتُّت الضوء بفعل الشعيرات الشفافة للمادة الشبيهة بالجليدة التي تُغطِّي السطح العلوي لليرقة. ويوجد تحت هذه الشعيرات سطح قاتم. وهذه الشعيرات بالغة الصِّغَر لدرجة أنها تُشتِّت الضوء الأزرق في الأساس ليعود نحوك؛ بينما يظلُّ بقية الضوء في السطح القاتم الذي يمتصُّه. ولذلك ترى الضوء الأزرق بصفة أساسية في هذه المنطقة. وتَختلف المنطقة البيضاء في أن السطح السُّفلي يعكس أو يُشتِّت الضوء نحوك، وأنه ليس داكنًا. وفي هذه الحالة، فإن الضوء الأزرق الموجود في الشعيرات يَضيع في الضوء الأبيض الأكثر سطوعًا الموجود في السطح السفلي.
يعود سبب الزرقة في ريشة طائر القيق إلى التشتُّت التفضيلي للطرف الأزرق من الطيف بفعل الخلايا السنخية الصغيرة في أطراف الريش. أما الألوان في الطيور الأخرى فيكون سببها كلًّا من التشتُّت والتصبُّغ أو طرقًا مختلفة يتعرَّض من خلالها الضوء للتداخُل.
يتكوَّن الجناح الأمامي الجلدي الصلب لخنفساء هرقل من سطح علوي شفاف رقيق يقع على طبقة إسفنجية صفراء. وأسفل الطبقة الإسفنجية توجد مادة سوداء شبيهة بالجليدة. وعندما تَمتلئ الطبقة الإسفنجية بالهواء، يتشتَّت منها الضوء ويخسر معظم الألوان ما عدا الأصفر؛ ومِن ثَمَّ يبدو الجناح أصفر. وعندما تكون الخنفساء في رطوبة شديدة، تَمتلئ الطبقة الإسفنجية بالماء، ويمر مزيد من الضوء عبْر تلك الطبقة ليصلَ إلى مادة الجليدة السوداء فتمتص ذلك الضوء. وفي هذه الحالة يبدو الجناح أسود اللون.
(١١٦) اللؤلؤ
ما سبب الألوان البراقة والقزحية التي نراها في اللؤلؤ وداخل صدفاتها (أم اللؤلؤ)؟
(١١٧) النتوءات في عيون الحشرات والطائرة الشبح
تتكوَّن عين الحشرة من جوانب عديدة يُطلَق عليها «عيينات» يمرُّ من خلالها الضوء إلى مُستقبِل؛ حيث تبدأ عملية المعالجة البصرية؛ وترى الحشرة فُسيفساء للصور التي تنتجها العيينات. تمتلك كثير من الحشرات عيينات ذات أسطح خارجية مصقولة. لماذا تمتلك بعض الحشرات عيينات ذات نتوءات صغيرة مدبَّبة على الأسطح الخارجية؟ تظهر أيضًا الصفات الفيزيائية لتلك النتوءات على الأسطح الماصة للطائرة الشبح وفي طلاء النوافذ ذات الأسطح الزجاجية الثنائية والثلاثية.
إن الانعكاسات على النوافذ المتعددة الطبقات الزجاجية يمكن أن تنتج صورًا متعدِّدة لكل ما يوجد خارج النافذة. وإذا كانت النافذة جزءًا من برج مراقبة جويَّة أو مقصورة الطيار فإن هذه الصور الزائدة يُمكن أن تكون مضلِّلة على نحو خطير. وإذا كانت النافذة موجودة في طقس بارد فإن أي انعكاس على النافذة يعني قلة الضوء الواصل لتدفئة الداخل. ولتقليل الانعكاسات لهذه الأسباب يجب تغطية واحد من الألواح الزجاجية أو أكثر بطبقة بلاستيكية تحتوي على نُتوءات.
من الأسباب التي تجعل من الصعب على الرادار اكتِشاف الطائرة الشبح أن سطحها مُغطًّى بنتوءات مصنوعة من مادة تمتصُّ موجات الرادار. لو كان السطح مسطحًا لامتصَّ جزءًا فقط من إشارة الرادار وعَكَسَ الباقي. (سيكون الموقف مشابهًا للضوء الذي يلمع على الزجاج الأسود، فعلى الرغم من امتصاص قدر كبير من الضوء، فإنه يَعكِس لك قدرًا كافيًا من الضوء يسمح بإظهار وجود الزجاج.) يحتوي سطح الطائرة الشبح على نتوءات ذات فواصل أصغر من الطول الموجي لموجات الرادار، وهذه الموجات هي نوع من الموجات الدقيقة. وأثناء مرور موجة الرادار على النتوء تُمتَص تدريجيًّا؛ ومِن ثمَّ يَنعكِس القليل منها إلى كاشف الرادار.
(١١٨) النباتات القزحية
في الظلِّ الشديد في الغابات المطيرة الاستوائية تحصل النباتات على قدر ضئيل من الضوء. وهذا هو سبب التقزُّح الذي يتقلب بين الأزرق والأخضر، والذي يظهر على بعض السرخسيات والنباتات المُزهِرة التي تنمو هناك. يُغطِّي أوراق النباتات الأخرى لمعانٌ مخملي ناتج عن الخلايا البشروية المحدَّبة. فما الفائدة التي تقدمها هذه الصفات لبقاء النباتات في هذه الإضاءة المُنخفِضة؟
تتخذ الخلايا البشروية المحدبة في الورقة ذات اللمعان المخملي شكل العدسة لكي تسلط الضوء على البلاستيدات الخضراء الموجودة تحتها. وهذا التسليط يضاعف على أقل تقدير تركيز الضوء على البلاستيدات الخضراء، فيمكن النبات من العيش في الإضاءة المنخفضة. (أما اللمعان الذي يعد تأثيرًا جانبيًّا فهو انعكاس مرآتي للضوء من جوانب الخلايا.) وقد تحتوي ورقة الشجر أيضًا على غشاء قزحي لتقليل كمية الضوء المنعكس من الورقة.
أما تقليلُ انعكاس الضوء في الأنواع الأخرى من أوراق الأشجار فيتم من خلال شكل الخلايا. وعلى الرغم من أن هذه الخلايا لا تركز الضوء على البلاستيدات الخضراء بطريقة جيدة جدًّا، فإن الضوء الزائد الموجود داخل الخلايا يبدو مفيدًا.
(١١٩) الأحبار المتغيِّرة الألوان المانعة للتزييف
تسعى الحكومة في مختلف أنحاء العالم إلى استباق المزورين الذين يُسارعون في استخدام أحدث الوسائل التكنولوجية لتزييف العملات الورقية. ومن الإجراءات الأمنية المستخدمة لردع المزورين الخيوط الأمنية والعلامات المائية الخاصة (التي يُمكن رؤية كلٍّ منهما عند تعريض العملة الورقية للضوء) بالإضافة إلى الطباعة الدقيقة (المكونة من نقاط متناهية الصغر على نحو يَحُول دون إعادة نسخها بالماسح الضوئي). وعلى الأرجح فإن أكثر سمة يصعب على المزورين تقليدها هي اللون المُتغيِّر الناتج عن الأحبار المتغيِّرة الألوان. فعلى سبيل المثال، يحتوي الرقم «٢٠» في الركن الأيمن السفلي من وجه ورقة الدولار الأمريكي فئة العشرين على حبر مُتغيِّر اللون. إذا نظرت إلى الرقم مباشرة، فسيكون أحمر اللون أو أصفر محمرًّا. وإذا أمَلْتَ الورقة ونظرت إليه من زاوية مائلة، فإن اللون يتغيَّر إلى الأخضر. ويُمكن لماكينة التصوير تقليد اللون من زاوية واحدة فقط، ومِن ثَمَّ لا تستطيع نسخ هذا التغيُّر في الألوان. فكيف تغير الأحبار المتغيِّرة الألوان ألوانها؟
يتحدد اللون الذي سيتعرض لتداخل بنَّاء (حيث تُعزز موجات الضوء بعضها البعض) اعتمادًا على سُمك طبقات فلوريد المغنسيوم. في الولايات المتحدة، قيمة سُمك طبقات فلوريد المغنسيوم في العملات المطبوعة بأحبارٍ متغيِّرة الألوان تكون مصمَّمةً بطريقة تُحقِّق تداخُلًا بنَّاءً كاملًا للضوء الأحمر أو الأصفر المحمر عندما ينظر المشاهد لأسفل مباشرة نحو العملة. وعندما يُميل المشاهد العملة ومِن ثَمَّ يُميل الرقائق فإن الضوء الواصل للمُشاهد من الرقائق يتعرض لتداخل بنَّاء بالنسبة إلى الضوء الأخضر. وهذا التحول في الطول الموجي يعود إلى المسار الأطول الذي يَسلُكُه الضوء عبْر الرقائق المائلة. ومِن ثَم، فمن خلال تغيير زاوية المشاهدة يستطيع المشاهد تغيير اللون. تستخدم الدول الأخرى تصاميم أخرى لهذه الرقائق رفيعة الأغشية لتحقيق تغييرات مختلفة في ألوان العملات. وحاليًّا أصبحت الأحبار والدهانات المتغيرة الألوان متاحة للاستخدام التجاري.
(١٢٠) التشبُّع اللوني في بتلات الزهور
يَختلِف لون كثير من الأزهار من بتلة إلى أخرى عندما تكون البتلات في الزهرة، لكن إذا قطفتَ البتلات ووضعْتَها مسطحة جنبًا إلى جنب، فسيكون لونها واحدًا. فما سبب اختلاف اللون في الترتيب الطبيعي؟
والوضع مشابه إذا كانت البتلات شبه مستوية (على المستوى نفسه) أثناء وجودها في الزهرة. وعلى سبيل التذكرة، فإنك ترى الضوء المنعكس من البتلة، أو المار عبْر البتلة، مرة واحدة فقط. ويختلف هذا الموقف إذا كانت البتلات مُتجمِّعة على نحو مُتقارِب وبزوايا مختلفة من منظورك. ففي هذه الحالة يكون بعض الضوء الذي تراه قد انعكس أكثر من مرة من البتلات؛ في واقع الأمر تكون البتلات «حواجز ضوء مسرِّبة». ونظرًا إلى ميل الانعكاس إلى إزالة ألوان معينة وترك ألوان أخرى، فإن الألوان المتبقية تُصبح أكثر «تشبعًا» (أنقى). بالإضافة إلى ذلك، فإذا نظرتَ من بتلة إلى بتلة أو إذا نظرت عبْر سطح بتلة واحدة فسترى أن التشبُّع اللوني يختلف من نقطة لأخرى.
(١٢١) اللمعان الأصفر في شجر الحور الرجراج
في الخريف، عندما تتحول أوراق الشجر إلى اللون الأصفر، لماذا تصبح أوراق شجر الحور الرجراج أكثر لمعانًا عند مشاهدتها في الاتجاه العام للشمس مقارنة برؤيتها من الاتجاه المقابل؟
(١٢٢) ألوان العيون
ما المسئول عن تكوين ألوان عيون الإنسان الزرقاء والخضراء والبُنِّية؟ لماذا يكون لون عيون البعض في بداية حياتهم أزرق، ثم يتغير هذا اللون بعد فترة قصيرة إلى اللون البني؟
(١٢٣) لماذا يتحوَّل الجسم إلى اللون الأزرق عند البرودة الشديدة؟
لماذا يتحوَّل لون البشرة القوقازية الفاتحة إلى اللون الأزرق عند البرودة؟ لماذا تتسبب حلاقة الشعر القصير لهذا النوع من البشرة في تلونها باللون الأزرق بعد الحلاقة؟ لون الدم أحمر وليس أزرق، فلماذا يظهر هذا اللون؟
ولأن المنطقتَين متجاورتان فإننا نقارن لا شعوريًّا بين لونَيهما. فعليًّا تكون كميتا الضوء الأزرق في المنطقتَين متساويتَين، وتكون كمية الضوء الأحمر أقل في المنطقة (ب). ولذلك، تظهر المنطقة (ب) وكأن بها ضوءًا أزرق أكثر من المنطقة (أ) بسبب قلة الضوء الأحمر فيها. وهكذا، يَظهر الوريد الموجود أسفل المنطقة (ب) باللون الأزرق؛ أي إن دماغك يُلَوِّنُ الوريد بهذا اللون.
(١٢٤) أشكال بقع الضوء
يمكننا أن نرى على العديد من الأسطُح التي يُضيئها نور الشمس الساطع أشكالًا محبَّبة (أنماطًا على هيئة بقع) من النقاط الساطعة والداكنة، والتي غالبًا ما تكون بألوان زاهية. لنُجرِّب سطحًا أسود مسطح أولًا. بمجرد التعرف على نمط الشكل، سنتمكَّن من رؤية هذا النمط نفسه على الأسطح الأخرى مثل سطح معدني لامع أو حتى أحد الأظافر. عادة ما تكون تلك الأنماط الشكلية أكثر وضوحًا إذا كان مصدر الضوء هو ضوء الليزر.
إذا فحصنا شكل إحدى بقع الضوء التي ينتجها ضوء الليزر ونحن نُحرِّك رأسنا إلى الجانب في تلك الأثناء، قد نجد أن الشكل يتحرَّك في نفس الاتجاه أو في عكسه، أو قد نجده يتحرَّك سريعًا دون اتجاه معيَّن. فما الذي يُحدد نوع الحركة التي نراها؟
في بعض الحالات، يُمكن أن تكون بقعة الضوء متحركة حتى إذا كنتَ أنت ساكنًا. املأ ملعقة جزئيًّا بالحليب (تجنَّب استخدام الحليب الخالي من الدسم) وضعها في ضوء الشمس الساطع. ستجد أنه عند الحافة المسطَّحة من الحليب تتراقَص نقاط لونية مضيئة. إذا أُضيئَت تفاحة حمراء أو ثمرة طماطم حمراء بضوءٍ أحمر من ليزر الهيليوم-النيون يتقلَّب شكل بقعة الضوء التي تظهر على سطح الثمرة، فما السبب وراء تلك الظواهر؟
لن ترى مثل هذا الشكل في ضوء المصباح؛ وذلك لأن ضوء المصباح يَصدُر من الذرات عشوائيًّا. ومِن ثَم، فالموجات التي تُضيء سطحًا قد تكون مُتطاوِرة في إحدى اللحظات، وغير مُتطاوِرة في اللحظة التالية. تتغير أشكال بقع الضوء بين كل لحظة وأخرى بسرعة كبيرة جدًّا بحيث لا تلاحظها عيناك؛ وبالتالي فجلُّ ما ستراه هو سطح مضيء خالٍ من أي أشكال ظاهرة. إذا كنت ترغب في رؤية أشكال لبُقَع الضوء، فلا بد أن تستخدم ضوءًا مترابطًا (موجات ذات علاقة متطاورة ثابتة تقريبًا). عمليًّا، هذا يعني أنك لا بد أن تستخدم إما ضوء الشمس (وهو مُترابط جزئيًّا) وإما ضوء الليزر. على الرغم من أن انبعاث الضوء من الشمس عشوائي بلا أدنى شك، إلا أنها بعيدة جدًّا بحيث إنها تعمل كمصدر ثابت للضوء يُمكننا أن نقول إن موجاته الضوئية مترابطة.
إذا كنت تُعاني من قِصَر النظر، فقد تبدو أشكال بُقَع الضوء المنبعثة من الليزر أقرب من سطح المشاهدة؛ إذ لن تكون على علم ببُعدها الحقيقي؛ ومِن ثمَّ فإن التركيز الطبيعي لعينيك سيجعل شكل بقعة الضوء يبدو أقرب. إذا حركت رأسك في أحد الاتجاهات فسيبدو الشكل وكأنه يتحرَّك في الاتجاه «المعاكس» أمام سطح المشاهَدة. يحدث خداع بصري مُشابه إذا ثَبَّتَّ إصبعك بين عينَيك والمصباح مع الحفاظ عليها ثابتةً. وبما أننا نعلم أن المصابيح لا تتحرَّك بينما تتحرَّك الأصابع، يحدث خداع بصري شديد يجعلك تعتقد أن الإصبع القريبة من عينَيك تتحرَّك في الاتجاه المعاكس لحركة رأسك. أما إذا كنت تعاني من طول النظر، فستبدو أشكال بقع الضوء أبعد عنك من سطح المشاهَدة؛ وذلك لأن عينيك تتكيف بشكل طبيعي على رؤية المسافات البعيدة. إذا حركت رأسك في أحد الاتجاهات، فسيبدو الشكل البعيد وكأنه يتحرَّك في «نفس» الاتجاه.
وإذا كان نظرك طبيعيًّا فستعتمد الحركة الظاهرية لبُقعة الضوء على لون الضوء؛ وذلك لأن كل لون ينكسر بكمية مختلفة عند دخول العين، وبذلك فقد يُفَسَّر كل لون بأنه يصدر من مسافة مختلفة. يقترح بعض الباحثين وجوب استخدام بُقعة ضوء الليزر في فحص العين عندما يكون المريض، كطفل صغير مثلًا، غير قادِر على قراءة الحروف الموجودة على جدول فحص الرؤية المعتاد.
تعود المَظاهر الحركية في الحليب إلى نوعَين من الحركة: (١) البخر الذي يحدث على طول الحافة الرقيقة للحليب يتسبب في حركة دوران في السائل. (٢) حتى دون وجود حركة الدوران، تخضع الجزيئات ﻟ «الحركة البراونية» التي تَصطدم فيها عشوائيًّا بعضها ببعض وببروتينات الحليب وكريات الدهون. يُغيِّر كلا النوعين من الحركة باستمرار طريقة تشتُّت الضوء من الحليب. لا بد أن تكون طبقة الحليب رقيقة أو سيتشتَّت الضوء عدة مرات قبل مغادَرة سطح الحليب حيث يُصبح تطاور الموجات مُضطربًا ولا يُمكن رؤية أي مظهر من مظاهر التداخل. في هذه الحالة، يكون لون الحليب أبيض فحسب.
أما «بُقعة الضوء المتحركة» على جانب ثمرة تفاح أو طماطم فيُعتَقَدُ أنها تعود إلى الحركة الطفيفة للجُسَيمات الصبغية (البلاستيدات) الموجودة في القشرة. يتغيَّر بُعدها عنك أثناء تحرُّكها، وهو ما يغير تداخل موجات الضوء التي تتشتت نحوك؛ ومِن ثمَّ يغير شكل بقعة الضوء الظاهرة.
(١٢٥) ألوان الإضاءة الفلوريسنت
إذا أدرتَ جسمًا، كعملة معدنية مثلًا، تحت إضاءة فلوريسنت، ربما تجد أن الجسم يُظهِر ألوانًا باهتة مثل الأزرق والأصفر. تَنجح التجربة أكثر إذا كان الجسم موضوعًا على خلفية داكنة أثناء إضاءة المصباح الفلوريسنت. يُمكن رؤية الألوان نفسها إذا اهتزَّ حبل من المصابيح الفلوريسنتية: تبهت ألوان الأجزاء الضبابية الناجمة عن حركة حبل المصابيح. ويُمكن رؤية الألوان أيضًا على طبقة رقيقة من المياه الجارية المحيطة بالموضع الذي تَصطدم فيه مياه الصنبور بالحوض. ما سبب ظهور الألوان؟
وبالنسبة إلى العين، ينبعث من المصباح ضوء أبيض بلا انقطاع. ورغم ذلك، يتذبذب انبعاث الضوء الأزرق والأخضر من الزئبق عدة مرات في الثانية الواحدة؛ لأنه يتمُّ التحكُّم في التيار، الذي يسري عبْر المصباح، من خلال مصدر كهربائي ذي تيار متردِّد يتفاوت في قوته واتجاهه عدة مرات في الثانية الواحدة. ومن بين موجات الانبعاثات الزئبقية، لا ينبعث من المصباح إلا اللونان الأحمر والأصفر الفسفوري. ومِن ثَم، إذا أُضيء الجسم المتحرِّك بإضاءة فلوريسنت، فإن انعكاساته في اتجاهات مختلفة تتذبذب بين اللون الأبيض واللونين الأحمر والأصفر، وترى الألوان الظاهرة بانتظام. الموقف أشبه بالانعكاسات الصادرة عن وتر مُهتز أو الصادرة عن موجات صغيرة تتحرَّك على سطح المياه بالقرب من نقطة الاصطدام أسفل الصنبور مباشرة.
(١٢٦) النظارات الشمسية المستقطِبة
كيف تكون النظارات الشمسية المُستقطِبة أكثر فعالية في حجب الوهج المنبعث من الطريق الأسفلتي مقارنةً بالنظارات الشمسية المعتمة وحسب؟ لماذا يُمكن للنظارات الشمسية المُستقطِبة أن تحسن رؤيتك تحت الماء بحيث يمكنك تحديد مكان الأسماك أثناء الصيد مثلًا؟
اخلع النظارات، وأمسك بفلتر أمام إحدى عينَيك وأغلق الأخرى، وانظر في خطٍّ مائل إلى بُحيرة. أَدِر الفلتر حول خط الرؤية. لماذا تَختفي البحيرة عند تحريك الفلتر في بعض الاتجاهات؟
وإحدى الطرق لجعل الضوء غير المُستقطَب مُستقطَبًا هي عبْر انعكاسه من على أنواع أسطح معينة. على سبيل المثال، إذا كانت أشعة الشمس (غير المُستقطَبة) تنعكس من على الرصيف أو المياه، فإنها تَصير «مُستقطَبة أفقيًّا». هذا يعني أن المجالات الكهربائية في الضوء تكون أفقية (الأسهم القصيرة تكون أفقية). إذا اعترضت عيناك سبيل هذا الضوء، فإنهما تَريان بُقعة لامعة على الرصيف أو مياهًا عند نقطة الانعكاس، ويُوصف الضوء بأنه «ساطع». ومثل هذا الضوء يُجهد العين ويقلل وضوح الرؤية أثناء القيام بعدة أنشطة، مثل قيادة السيارات.
يُمكنك أن تُقلِّل سطوع الوهج من خلال ارتداء النظارات الشمسية المُعتادة، التي تَحتوي على أقراص بلاستيكية ملوَّنة، إلا أنها تعتم باقي المشهد، وهو أمر مكروه إذا كنت تُراقب حركة المرور القادمة في اتجاهك. والنظارات الشمسية المُستقطِبة مُختلفة؛ إذ إنها تحتوي على فلتر مُستقطِب يَحجب (يمتص) الضوء المُستقطَب الأفقي؛ ومِن ثمَّ فإنها تحجب الوهج المُنعكس من الرصيف أو المياه. ونظرًا لأن النظارات الشمسية المُستقطِبة تكون ملوَّنة قليلًا، فإنها تعتم المشهد بأكمله ولكن ليس بدرجة كبيرة. ومِن ثَمَّ فإنها تُوفِّر رؤية واضحة وساطعة نسبيًّا بدون وهج معتاد. ولعلك تكون قادرًا على رؤية الأسماك تحت الماء، والتي كانت مُتخفية من قبل تحت الوهج الساطع المُنعكِس من المياه.
وإذا أدرت أحد الأسطوانات المُستقطِبة حول خط الرؤية حين تَنظر إلى بحيرة، تَختفي البحيرة حين يحجب الفلتر الضوء المُستقطَب أفقيًّا المُنعكِس منها. وأثناء الطيران بحثًا عن المياه، تستدل بعض الحشرات المائية على وجود المياه من خلال تعقُّب الضوء المُستقطَب أفقيًّا المنعكس من المياه. فمثل هذا الضوء يكون أكثر سطوعًا حين يكون ارتفاع الشمس حوالي ٤٠ درجة فوق خط الأفق، ولعل هذا هو السبب الذي يجعل الحشرات المائية تبحث عن المياه في الصباح الباكر أو في وقت متأخِّر من بعد الظهيرة أكثر فترات الظهيرة.
(١٢٧) استقطاب السماء
لماذا يكون الضوء مُستقطَبًا في غالبية أجزاء السماء الصافية؟ ولماذا يكون غير مُستقطَب في بعض الأجزاء؟
لماذا يكون الضوء الصادر من السحاب غير مُستقطَب عادةً؟ (هذه الحقيقة تساعد في تصوير السحاب: ضع فلترًا مُستقطِبًا على العدسة وأَدِرْها حتى تبرز السحب وتتميز عن السماء الموجودة في الخلفية.) لماذا يكون الضوء المنبعث من السحب مُستقطَبًا إذا كانت السحب موجودة في الشرق بالقرب من غروب الشمس أو في الغرب بالقرب من شروق الشمس؟ إذا نظرت إلى تلك السُّحب أثناء الطيران وأنت ترتدي نظارة شمسية مُستقطِبة، لعلك ترى خطًّا ساطعًا يمر فوق السحب نحو جزء من خط الأفق في الجهة المقابلة من الشمس. وإذا أدرتَ النظارة الشمسية حول خط الرؤية، يختفي الخط. ما سبب ظهور الخط؟
وعلى الرغم من أنه ليس من السهل تفسير ظهور هذَين اللونَين، فإن إعداد هذه الأداة سهل. عندما ينفذ ضوء السماء المُستقطَب إلى الأداة، فإنه ينتقل عبْر سُمك معيَّن للشريط اللاصق، الذي يتسبَّب في دوران اتجاه المجال الكهربائي للضوء حول اتجاه انتقال الضوء. تدور الألوان المختلفة بمقادير مختلفة. وعندما ينفذ الضوء من خلال الشريط اللاصق، تتمتَّع بعض الألوان بالاستقطاب الصحيح لتمرَّ عبْر فلتر الاستقطاب الموجود على الزجاج؛ ومِن ثَمَّ ترى الألوان. أما الألوان الأخرى، ذات الاستقطاب الخطأ، فيمتصها الفلتر، وبذا لا تراها.
أشعة الشمس المُنتشرة عبْر السُّحب تكون غير مُستقطَبة بطبيعة الحال؛ لأن الأشعة تَنتشر عبْر طبقات متعدِّدة، وهو ما يمحو أي استقطاب سابق حظيَ به الضوء من قبل. وإذا تفحصت السحاب مقارنة بالسماء أثناء النظر عبْر فلتر مُستقطِب (أو أثناء التصوير)، يُمكنك أن تدير الفلتر حتى تصير السماء معتمة. ونظرًا لأن الدوران لا يغير درجة سطوع السحب، فإن درجة التباين بينها وبين السماء تزداد.
ورغم ذلك، عندما تكون الشمس على ارتفاع منخفض، قد يظهر الاستقطاب الأفقي على السحب الموجودة فوق النقطة المقابلة للشمس مباشرةً بارتفاع من ٣٠ إلى ٤٠ درجة. ينفذ جزء من أشعة الشمس، التي تضيء مباشرة تلك السحب، إلى قطرات المياه وتنعكس من الجزء الخلفي لسطح القطرات، ثم يَنفصِل عن القطرات. يُكوِّن هذا الضوء «قوس السُّحُب»، وهو شبيهٌ بقوس قُزح باستثناء أن قطرات المياه تكون صغيرة جدًّا بدرجة يتعذَّر معها فصل الألوان. ورغم ذلك، هذه العملية تستقطب الضوء كما يَحدث مع قوس قزح.
عندما تدنو الشمس من خطِّ الأفق أو تكون تحته تقريبًا، تُضاء السُّحب القريبة من الجهة المقابلة للأفق بالضوء المنُتشِر من الأفق بصفة أساسية ولا تُضيئها أشعة الشمس المباشرة. وفي الأغلب، يكون ذلك الضوء المنتشر مُستقطَبًا رأسيًّا، وكذلك يكون الضوء القادم إليك من تلك السحب. إذا كنت ترتدي نظارات شمسية مُستقطِبة أثناء النظر إلى تلك السحب من طائرة، تمرر النظارة الضوء المُستقطَب رأسيًّا وتكون تلك السحب مضاءة نسبيًّا، بينما تكون السحب الموجودة على كلا الجانبَين — والتي ترسل إليك ضوءًا غير مُستقطَب — معتمة أكثر؛ ومِن ثَمَّ ترى سحبًا ساطعة تبدو أنها تشق مسارًا يمتدُّ إلى الأفق الموجود في الجهة المقابلة للشمس.
ووفقًا للأساطير، حدَّدت قبائل الفايكنج موقع الشمس عندما تختفي خلف حجر سحري يُعتقد أنه حجر الكورديرايت. فعندما يمرُّ الضوء عبْر هذا الحجر، يتوقَّف لون الحجر على اتجاه استقطاب الضوء. وفي عصر الفايكنج، كان الراصد يَنظر إلى جزء من السماء الصافية من خلال الحجر بينما يُديره في نطاق خطِّ رؤيته. وأثناء الدوران، كان لون الحجر يتغيَّر بين اللونَين الأصفر الفاتح والأزرق الغامق. وبالتجربة وبعد فحص عدة أجزاء من السماء، يستطيع الراصد أن يُحدِّد موقع الشمس حتى وإن كانت تقع تحت خط الأفق؛ وهو ما كانت الحال عليه كثيرًا عند دوائر العرض المرتفعة التي استكشَفَها الفايكنج.
(١٢٨) انتقال النمل من مكان إلى آخر
يعيش نمل الصحراء الفضِّي في سهول الصحراء الكبرى. وعندما يخرج النمل من عشه بحثًا عن الطعام، فإنه يقطع رحلة بحث عشوائية قد يَصل طولها إلى ٥٠٠ متر، بها مئات المُنعطفات الفجائية. علاوة على ذلك، قد يمتد مسار الرحلة عبْر أرض مستوية لا يوجد بها أي معالم مميزة. ورغم ذلك، عندما يُقرِّر النمل العودة، فإنه يُولي وجهه نحو عشه ويعدو مباشرة في طريق مستقيم. كيف يعرف النمل الطريق بدون أيِّ دلائل إرشادية موجودة في السهول الصحراوية؟
والسِّمة المميِّزة فعلًا لمخ النمل هي أنه يُحَدِّث باستمرار المعلومات الخاصة بالمسافات والاتجاهات بحيث يعرف بدقة اتجاه العودة إلى عشه. يتعامل النمل مع كل جزء من رحلته باعتباره متجهًا (ذي طول واتجاه محدَّد)، ويُجري النمل بكفاءة عملية جمع المتجهات. ولعله يستغل المعالم الرئيسية إن وجدت، ولكن في التجارب التي أُزيلت منها المعالم الرئيسية في أثناء رحلة العودة إلى العش، اختار حوالي نصف عدد النمل إجراء عملية جمع المتَّجهات بدلًا من أن يضلَّ الطريق بسبب غياب المعالم الرئيسية للطريق. يُعد جمع المتجهات تحديًا صعبًا بالنسبة إلى العديد من الطلاب؛ إلا أن مخ نمل الصحراء، الذي لا يتعدَّى وزنه ٠٫١ ملِّيجرام، يستطيع أن يُجري هذه العملية الحسابية تلقائيًّا.
(١٢٩) الألوان والبقع والاستقطاب
يُعتبَر غشاء تغليف الطعام البلاستيكي عديم اللون، ولكن إذا أدخلت طبقة طويلة ومشدودة من غشاء التغليف بين فلترين مُستقطِبَين، فإنها تتلوَّن بألوان متنوعة. وإذا أدرت أحد الفلترين حول مركزه، يتغيَّر اللون. ويمكن الاستعاضة عن غشاء تغليف الطعام بطبقات متعدِّدة من شريط لاصق شفاف. ما سبب هذه الألوان؟
تستند أعمال فنية حديثة إلى الألوان الناتجة عن بلاستيك موضوع في ضوء مُستقطَب. وفي بعض الأعمال، تنشأ ألوان الفسيفساء المختلفة من خلال الاستعانة بطبقات سيلوفان مشدودة ذات سُمك واتجاه مُتباين. وتُضاء الفسيفساء من خلال الضوء القادم من فلتر مُستقطِب مُثبت على واجهة جهاز بروجيكتور مُضيء. يرى الناظر الفسيفساء عبْر فلتر مُستقطِب آخر.
كما يَبتكِر بعض الفنانين أعمالًا فنية ثلاثية الأبعاد باستخدام البلاستيك والفلاتر المُستقطِبة. يُستقطَب الضوء المار عبْر البلاستيك إما من خلال فلتر مُثبت على البلاستيك أو من خلال انتشار الضوء القادم من الجزيئات الموجودة في السماء. وربما ترى أحيانًا استعراضًا مشابهًا للألوان إذا ارتديت نظارة شمسية مُستقطِبة أثناء النظر عبْر نافذة الطائرة أثناء طيرانها.
إذا كنتَ تَرتدي نظارة شمسية مُستقطِبة أثناء قيادة السيارة، لعلك تلاحظ بقعًا كبيرة، عادةً تكون مرتبة في شكل أنماط معينة، على النوافذ الخلفية للسيارات الموجودة أمامك. ما سبب ظهور هذه البقع؟
وفي حالة أزهار الصقيع، يكون الضوء المبدئي ضوءَ سماء مُستقطَب والجليد هو المادة ذات الانكسار المزدوج. ورغم ذلك، الضوء المنبعث من الجليد لا ينفذ عبْر فلتر مُستقطِب. وبدلًا من ذلك، ينعكس الضوء من بِركة المياه. ينتقي ذلك الانعكاس الضوء المُستقطَب أفقيًّا فقط، وتصلُك الألوان المنبعثة من الجليد الذي له ذلك الاتجاه من الاستقطاب.
وفي حالة النافذة الخلفية للسيارة، تصير أشعة الشمس مُستقطَبة أفقيًّا عندما تنعكس إما من السطح الخارجي أو الداخلي للنافذة المائلة. وارتداء سائق السيارة الخلفية نظارة شمسية مُستقطِبة يَحجب الضوء المُستقطَب، ومن المفترض أن تبدو النافذة مُعتمة نسبيًّا. ورغم ذلك، ينتقل جزء من الأشعة المنعكسة من السطح الداخلي عبْر أجزاء من الزجاج ذات انكسار مزدوج وعبر تغيرات في الاستقطاب. تلك الأجزاء من الزجاج هي تلك التي تعرضت للضغط أثناء عملية التصنيع لأسباب تتعلق بالسلامة. وتم تبريد الزجاج سريعًا من حالة الانصهار باستخدام نفاثات هوائية بحيث يتعرض الزجاج للضغط. وإذا تحطم الزجاج فيما بعد، يتسبَّب الضغط المعزز داخل الزجاج في تهشُّمه إلى أجزاء صغيرة غير مؤذية؛ وليس إلى شظايا خطيرة. والأجزاء التي تم تبريدها بالنفاثات الهوائية هي المواضع التي يتغير عندها استقطاب الضوء المنعكس من السطح الداخلي. والنظارة الشمسية المُستقطِبة التي يَرتديها سائق السيارة الخلفية تمرر جزءًا من ذلك الضوء؛ ومِن ثمَّ تكون تلك الأجزاء أكثر سطوعًا عن باقي النافذة الخلفية.
ربما يكون نسق الضغط ظاهرًا على نحو طفيف حتى من دون ارتداء نظارات شمسية مُستقطِبة إذا كان الضوء الذي يُضيء النافذة الخلفية هو ضوء سماء مُستقطَب بالأساس بدلًا من أشعة الشمس المباشرة غير المُستقطَبة. وعندما يمر الضوء المُستقطب عبْر النافذة لينعكس على السطح الداخلي، يمر جزء من الضوء عبْر الأجزاء المضغوطة ويتغيَّر اتجاه استقطابه. وتختلف حدة انعكاسات هذا الضوء والضوء الثابت المُنبعث من باقي السطح الداخلي؛ ومِن ثمَّ يَستطيع سائق السيارة الخلفية أن يرى النسق على النافذة الخلفية. ويُمكن رؤية نسق مُشابه على نافذة الطائرة أيضًا.
(١٣٠) رغوة عديمة اللون ومسحوق ناعم
لماذا تكون رغوة الجعة بيضاء اللون بدلًا من أن تكون صفراء أو داكنة كأغلب سائل الجعة الموجود في الزجاجة؟ لماذا تفقد أغلب المواد الملوَّنة لونها عندما تُطحَن وتتحول إلى مسحوق؟ لماذا يكون الزجاج الصافي شفافًا بينما الزجاج المهشَّم لا يكون كذلك؟ لماذا تكون حبيبة واحدة من الملح شفافة ولكن طبقة حبيبات الملح لا تكون كذلك؟
ويأتي لون أغلب المواد الصلبة من الامتصاص الانتقائي للألوان الأخرى داخل الجزء الأكبر من المادة. وعندما تُطحَن المادة، يَنتشر الضوء العارض المنبعث من الأسطح المُتعدِّدة الناجمة عن عملية الطحن، والقليل من الضوء الذي تراه يخترق حبيبات المسحوق يحدث له امتصاص انتقائي. فإذا أنار ضوء أبيض الحبيبات، يتشتَّت الضوء الأبيض ويصل إليك.
يكون لوح الزجاج شفافًا بسبب ترتيب الجزيئات داخله. فعلى كلا السطحَين، يَنعكِس جزء من الضوء، إلا أنَّ أغلبه ينفذ عبْر الجزء الداخلي من الزجاج. ويُشتِّت كل جزيء موجود على السطح الداخلي الضوء النافذ في جميع الاتجاهات، إلا أن الضوء الذي يُشتت في الاتجاه الأمامي فقط يحدث له تداخل بنَّاء (فالموجات تُعزِّز بعضها بعضًا). في حين أن الضوء المُشتَّت في الاتجاهات الأخرى يحدث له تداخل هدَّام (تنحو المَوجات إلى إلغاء بعضها البعض).
وإذا تهشم الزجاج وتجمعت شظاياه على هيئة كومة، ينعكس الضوء عدة مرات من الأسطح المتعدِّدة للشظايا، وتنتهي الحال بارتداد قدر كبير من الضوء من كومة الشظايا. ينعكس وينكسر شعاع الضوء الذي استطاع النفاذ عبْر الكومة عدة مرات؛ ومِن ثَمَّ إذا اعترضت عينك سبيل هذا الضوء، فإنها تَعجز عن تكوين صورة لمصدر الضوء الأصلي؛ ومِن ثَمَّ لا يكون الزجاج المكسور شفافًا.
ولأسباب مُماثلة، حُبيبة الملح الواحدة تكون شفافة، أما كومة الحُبيبات يكون لها عدة أسطح، ولذا يتعذر أن تكون شفافة.
(١٣١) القماش المخملي الأسود اللامع، والورنيش اللامع
لماذا يكون القماش المخملي الأسود ذا جانب لامع وجانب منطفئ؟ بما أن المواد ذات اللون الأسود تمتصُّ جميع الألوان، كيف يكون القماش المخملي الأسود لامعًا؟ لماذا يكون الورنيش لامعًا؟ لماذا تُصقَل المرايا بطبقة معدنية وليس طبقة ورقية مثلًا؟
يُعزى لامعان الورنيش والطلاء إلى انعكاس الضوء الساطع، الشبيه بانعكاس المرآة، على السطح الخارجي. وفي حالة الطلاء اللامع جزئيًّا، ينفذ بعض الضوء إلى طبقة الطلاء حيث تتشتَّت الأشعة في عدة اتجاهات من الأصباغ التي يحتوي عليها الطلاء. وهذا المزيج من الضوء المُشتَّت والضوء المنعكس من الطبقة الخارجية يُقلِّل الوهج المنبعث من الطلاء.
كلا السطحين الورقي والمُغطى بطبقة معدنية بهما بروزات غير متساوية، إلا أن هذه البروزات تكون صغيرة على الطبقة المعدنية مقارنة بالطول الموجي للضوء. وكنتيجة لذلك، يُكوِّن الضوء المُشتَّت بفعل الطبقة المعدنية صورة في عينك. أما البروزات الموجودة على السطح الورقي فتكون أكبر وتشتِّت أشعَّة الضوء في عدة اتجاهات لدرجة أنها لا تكوِّن صورة في عينك؛ ومِن ثَمَّ المرآة التي تنظر إليها في أثناء تصفيف شعرك تكون مصقولةً بطبقة معدنية لا ورقية.
(١٣٢) الألوان المُنعكسة من الزجاج الأخضر والقماش المَخملي الأخضر
إذا نظرت عبْر طبقة من الزجاج الأخضر إلى السلك الموجود داخل مصباح متوهِّج فسترى، بالطبع، ضوءًا أخضر اللون. ما الذي سيحدث إذا نظرت إلى السلك عبْر ثلاث طبقات أو أكثر من الزجاج الأخضر؟
إذا فردتَ قطعة قماش مخملي أخضر اللون، فسترى أن القماش لونه أخضر. ماذا سترى إذا طويت القماش المخملي إلى ثنايا؟ لماذا تلمع أطراف الثنايا (الجزء الخارجي من الثنايا) على نحوٍ ساطع دون أن يَظهر عليها أيُّ ألوان؟
إذا كان أحدهم يَرتدي ملابس بها أجزاء من القماش المخملي، لماذا تبدو بعض الأطراف خضراء (كالمعتاد) بينما تبدو أطراف أخرى بيضاء اللون؟
وتتحقَّق نتيجة مشابهة مع القماش المخملي أخضر اللون، الذي يَعكِس في الأصل الضوء الأخضر وكذلك قدرًا معينًا من الضوء الأحمر. عندما يكون القماش مفرودًا، ينعكس الضوء الذي يصل إليك من القماش المخملي مرةً واحدة وترى اللون الأخضر. ولكن عندما يُطوى القماش المخملي في صورة ثنايا، يَنعكِس الضوء الذي يصل إليك مرتَين أو أكثر داخل هذه الثنايا. ومع كل انعكاس، فإن شدة الضوء الأخضر والأحمر تَقِل؛ إلا أن شدة الضوء الأخضر تقلُّ على نحو أسرع. وإذا انعكس الضوء بالقَدرِ الكافي داخل الثنايا، يَصير اللون ضاربًا إلى الحمرة.
وعندما تَنظُر إلى قطعة قماش مخملي مُسلَّط عليها ضوء أبيض، فأنت تعترض الكثير من الضوء الذي يتشتَّت من الأطراف الخارجية للنسيج المخملي، وذلك الضوء لا يَفقِد الكثير بفعل الامتصاص لأنه يتشتَّت مرةً واحدة فقط؛ ومِن ثمَّ يظلُّ ضوءًا ساطعًا وأبيض اللون. ويصير الضوء، الذي يَخترق القماش المخملي وينبعث منه، أخضر اللون وأغمق عن باقي القماش. وعند الرسم على القماش المخملي أو ثنايا القماش، تُصبَغ الأطراف بخط أبيض ناصع لتصوُّر اللمعان الذي يراه الفنان، مقارنةً باللون الأغمق الذي تراه على باقي القماش المخملي.
(١٣٣) البشرة المتورِّدة والنضارة الواضحة
تستطيع أن تُخمِّن ما إذا كانت بشرة شخص ما، طفل مثلًا، نضرة أم لا من خلال الاستدلال بمؤشِّر بصري، لا سيما حين يَنعكِس مصدر الضوء من خلف هذا الشخص على البشرة ويرتد إليك. وقد تفتقد المحاكاة الحاسوبية للأشخاص إلى هذا المؤشر، وحينئذٍ قد تبدو البشرة جامدة، مما يُوحي أنها مجرد محاكاة وحسب. وتلاحظ نفس نوعية المؤشِّر البصري للنضارة حين تنظر إلى ثمرة خوخ ناضِجة في ضوء قادم من الخلفية، وهو أمر مختلف على نحو جدير بالملاحظة عن ثمرة الدراق مثلًا، ونتيجة لذلك ترى أن ثمرة الخوخ نضرة أكثر. ما هو المؤشِّر البصري؟
يُعطي الزغب الدقيق الذي يَبرُز من ثمرة الخوخ وهجًا ناضرًا حول حافة الثمرة تحت الإضاءة المناسبة، مما يجعل الثمرة تبدو نضرة. أما ثمرة الدراق، التي تَفتقِر إلى هذا الزغب، فتبدو جامدة. وانتشار الشعيرات الملساء على بشرة بعض الشابات يُعطيهنَّ مظهرًا نضرًا حتى إنهن يتَّصفْن بأنهن يتمتَّعن ﺑ «بشرة نضرة كالخوخ».
وفي تأثير ذي صلة، إذا وقف أحدهم أمام مصدر الضوء، الشمس مثلًا، يُمكنك أن ترى وهجًا مثيرًا على الطبقة الخارجية من الشعر الموجود أعلى الرأس.
(١٣٤) حفلات كعك التوينكي وهلام الفازلين
في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يُقال إنَّ بعض الحفلات الطلابية تُقام على الأضواء السوداء (الأشعة فوق البنفسجية) المنبعثة من مصابيح الإضاءة فوق البنفسجية. يُلطِّخ المشاركون أجسادهم بهُلام نفطي من الفازلين أو بكريمة حشو كعكة التوينكي. ولعلهم يتناولون ماء التونيك، الذي يَحتوي على وهج أزرق غريب. لماذا ينتج وهج عن هذه المواد تحت الأشعة فوق البنفسجية؟
(١٣٥) لون اللحم
لماذا يكون لون السطح الخارجي للَّحم البقري الطازج أحمر زاهيًا بينما يكون لون الأجزاء الداخلية أحمر مائلًا للأُرجواني؟ لماذا يتحوَّل لون الأجزاء الداخلية للحم المشوي إلى الأحمر الزاهي عند طهْوه بدرجة قليلة النضج ويتحوَّل لونُه إلى البُني عند طهوه بدرجة شديدة النضج؟ لماذا تُغطَّى لفائف لحم الخنزير المقدَّد والمُدخَّن واللحم البقري المحفوظ جزئيًّا بالكارتون أو تُحفَظ في المخزن بحيث يكون اللحم بعيدًا عن الإضاءة؟ لماذا يظهر على اللحم المقدد أحيانًا طبقة صفراء أو خضراء فلوريسنتية؟ ما سبب ظهور التقزُّح اللوني أحيانًا على اللحم؟
وعند تسخين اللحم، يتَّحد الميوجلوبين داخل أغلب أجزاء اللحم مع الأكسجين ليُكوِّن الأوكسيميوجلوبين ذا اللون الأحمر الزاهي. (ومِن ثَمَّ، إذا قطَعْتَ قطعةَ لحم مشوية بدرجة قليلة النضج، يكون لون الجزء الداخلي أحمر زاهيًا بسبب هذا التغير.) وفي الوقت نفسه، تتغير خواص الميوجلوبين الموجود في الجزء الخارجي من اللحم، ويبدأ عنصر الحديد في التأكسد، مما يجعل لون الجزء الخارجي بُنيًّا. وإذا استمر التسخين، يمتد هذا التغير في اللون إلى الأجزاء الداخلية.
وفي حالة اللحوم المقدَّدة، مثل لحم الخنزير المقدَّد والمُدخَّن واللحم البقري المحفوظ، يتحَّد أحادي أكسيد النيتروجين مع الميوجلوبين ليُكوِّنا الميوجلوبين أحادي أكسيد النيتروجين المركب، ذي الصبغة الوردية. وإذا وُضع اللحم تحت الإضاءة أثناء تعرضه للأكسجين، يفكك الضوء أحادي أكسيد النيتروجين ليُكوِّن المتميوجلوبين ذا اللون الأحمر المائل للبُنِّي. وأحيانًا يتأكسد جزء آخر من المركب، ليُكوِّن صبغة صفراء أو خضراء مشعة. ولتفادي هذا التغير البغيض في اللون، تُوضع لفائف اللحم المقدد في المخازن لوقايتها من الضوء. وبدلًا من ذلك، يمكن وضعها في لفائف محكمة الغلق ومفرغة من الهواء للتخلُّص من الأكسجين.
ويُعزى التقزُّح اللوني في اللحم النيِّئ أو المطبوخ إلى حدوث تداخُل في الضوء الذي يُشتَّت بفعل اللُّيَيْفَات العَضَلِيَّة (وهي عبارة عن ألياف عضلية) عند السطح الخارجي للحم أو أسفله مباشرةً. وعندما يقع الضوء على نحوٍ عمودي على اللُّيَيْفات العضلية، يتداخل الضوء المشتَّت عند نقطة ما مع الضوء المُشتَّت عند نقطة أخرى، مع حدوث تداخُل بنَّاءٍ عادةً للضوء الأخضر. ويَحدُث التقزُّح اللوني بالأساس في الجزء الأخضر من الطيف المرئي، بسبب حدوث جفاف للسطح الخارجي. والأمر ليس مرتبطًا بالضرورة بحدوث تلوُّث بكتيري للحم ولا يعني بالضرورة أن اللحم قديم وغير صالح للاستهلاك الآدمي.
(١٣٦) كأس الجعة الصغير
لماذا تكون كأس الجعة ذات جدار سميك ومُستدقٍّ وقاعدة سميكة؟ ربما يرجع السبب وراء هذا التصميم جزئيًّا إلى إضفاء شعور ﺑ «الثِّقَل والامتلاء»، ولكن كيف يُمكن لهذا التصميم أن يصنع خدعة بصرية بأن الكأس تحتوي على كمية من الجعة أكبر مما هي عليه بالفعل؟
(١٣٧) ناصعة البياض
ذات مرة ادَّعت إحدى الإعلانات الشهيرة لمسحوق غسل بأن المُنتَج يجعل الملابس البيضاء «ناصعة البياض». ماذا تعني هذه العبارة؟
والمُنصِّع ضروري لأنَّ مسحوق الغسل يترك صبغة صفراء على الملابس. تمتصُّ الصبغةُ الضوء الأزرق. ومن دون المنصِّعات، ستصفرُّ الملابس البيضاء بمجرد أن تُغْسَل. وقبل إضافة المنصِّعات إلى مساحيق الغسل، كانت المساحيق تحتوي على صبغة زرقاء بالإضافة إلى الصبغة الصفراء. ووجود كلتا الصبغتَين على الملابس كان يسفر عن إزالة اللون تقريبًا من الملابس البيضاء، إلا أنهما كانتا تتركان لونًا رماديًّا باهتًا غير مُستحَب.
(١٣٨) اختفاء العملة المعدنية
(١٣٩) النظارات الشمسية والضباب
إذا ارتديت نظارة شمسية مُستقطِبة في أثناء مشاهدة جبل مغطًّى بالضباب خلفه سماء صافية، ربما في إمكانك أن تجعل الجبل يَظهر ويختفي من خلال إمالة رأسك والنظارة الشمسية. وقد تختفي الكثير من المعالم الموجودة على الجبل وتظهر أيضًا. ما سبب حدوث هذه التغيرات؟
هب أن جسيمات الضباب تحظى بالقطر المذكور مداه آنفًا. إذا أملتَ رأسك والنظارة الشمسية نحو اليسار أو اليمين حتى تكون السماء الموجودة في الخلفية ساطعةً بأقصى درجة، تنفذ النظارة الشمسية الضوء من جميع المصادر الثلاثة. ورغم ذلك، ينفذ الضوء المُستقطَب المشتت جزئيًّا بفعل جسيمات الضباب عبْر النظارة الشمسية بصورة جزئية فقط. ما تراه هو الحدود الخارجية المعتمة مقارنةً بالسماء الساطعة. تكون درجة التباين كافية بالنسبة إليك لكي ترى الجبل، إلا أن الضوء الخافت المُشتَّت بفعل الضباب لا يزال ساطعًا بالدرجة الكافية ليَحجُب معالم السطح على الجبل.
والآن، إذا أملت رأسك والنظارة الشمسية بزاوية ٩٠ درجة (إما عن يمينك أو يَسارك، أو العكس، في أي اتجاه تشعر فيه بالراحة)، فستَحجُب النظارة الشمسية الضوء كله القادم من السماء الموجودة في الخلفية ومُعظَم الضوء القادم من جسيمات الضباب. ولعلك تستطيع أن تُميِّز معالم السطح التي تكون موجَّهة لتَعكِس الضوء المُستقطَب الذي قد ينفذ عبر النظارة الشمسية.
(١٤٠) سطوع المحيط
افترض أن السماء صافية وأنك تركب قاربًا فوق مياه المُحيط حيث الأمواج معتدلة. أين يكون الماء في أشد درجات سطوعه، تحتك مباشرة بينما تنظر إلى الأسفل إليه أم على امتداد الأفق؟ أين ترى بالأساس انعكاسات ضوء الشمس المباشر أو السماء؟ أين يُمكنك أن تكون قادرًا على رؤية الأجسام المَغمورة بالمياه؟
المنطقة التالية من حيث السطوع هي الخاصة ببريق ضوء الشمس، والتي تتحدَّد بواسطة ارتفاع الشمس في السماء. تتحرَّك منطقة البريق نحوك من الأفق الشرقي خلال شروق الشمس، وتكون أسفلَكَ أو بالقُرب منك حين تكون الشمس في أعلى نقطة في السماء، وتتحرَّك مُبتعدةً عنك نحو الأفق الغربي خلال غروب الشمس.
وعلى مبعدة منطقة البريق وعلى مسافة أقرب إليك من الماء البعيد، ربما يُهيمِن الضوء الصاعد على الضوء الذي تعترضه من مناطق معينة. وفي تلك المناطق ربما تكون قادرًا على رؤية الأجسام المغمورة بالمياه.
(١٤١) شريط أزرق على أفق البحر
عادةً ما يبدو جزء من البحر أسفل الأفق مباشرة بلون أزرق أو رمادي أكثر قتامةً من بقية البحر أو من جزء السماء الذي يعلو الأفق مباشرة. وفي يوم صافٍ يشبه هذا الجزء من البحر شريطًا أزرق. ويَختفي الشريط الأزرق إذا ما استلقَيتَ على الشاطئ أو ارتفعت عنه ارتفاعًا كبيرًا. فما الذي يُنتِج الشريط الأزرق؟
(١٤٢) حلول الظلام بشكل مباغت
لماذا يكون غروب الشمس في المناطق الاستوائية أسرع منه عند دوائر العرض المُرتفعة؟
(١٤٣) خطوط التكثُّف الملونة
عادةً ما تكون خطوط التكثُّف (آثار تكثف الماء التي تخلفها الطائرات) بيضاء. لماذا تكون ملونة أحيانًا؟ وكيف يُمكن للجزء الملون من خط التكثُّف أن يتحرَّك خلف الطائرة مباشرة؟ فعلى أي حال، القطرات التي تتألَّف منها خطوط التكثُّف لا تتحرك بتلك السرعة.
(١٤٤) السحب الصدفية
للسحب الصدفية (التي تسمى أيضًا سحب الستراتوسفير القطبية) ألوان جميلة بالغة الرقة. وهي نادرة الوجود ولا تُرى عادةً إلا على ارتفاعات عالية وقبل شروق الشمس وبعد غروبها بقليل. ويعني توقيت ظهورها هذا أنها لا بد أن تكون على ارتفاعات عالية بحيث تظلُّ مُضاءة بضوء الشمس بينما الأرض من أسفلها مظلمة. إن السحب العادية الأكثر انخفاضًا تظهر الألوان على امتداد حافاتها فقط أو حين تقع أمام الشمس أو القمر، بينما بمقدور السحب الصدفية أن تُظهر ألوانًا عديدة مُبهِرة حتى حين تكون بعيدة عن الشمس بزاوية تصل إلى ٤٠ درجة.
ما الذي يُفسِّر ألوان السُّحُب الصدفية؟ وإذا كانت الألوان راجعة إلى قطرات الماء، فكيف يمكن أن يوجد ماء سائل في البيئة شديدة البرودة (نحو سالب ٨٠ درجة مئوية) عند الارتفاعات التي توجد بها هذه السحب؟
(١٤٥) ضوء الشفق الأرجواني
ما الذي يتسبَّب في ضوء الشفق الأرجواني الذي يظهر على نحو وجيز في سماء الغرب فوق الموضع الذي غربت فيه الشمس بعد الغروب بفترة تتراوَح بين ١٥ و٤٠ دقيقة، بعد أن تكون ألوان الغروب الأخرى قد اختفَت؟ هل الآلية نفسها مسئولة عن الضوء الأرجواني الثاني غير المعتاد، والذي يَظهر بعد مرور ساعتَين على الغروب؟ كيف يُمكن للشَّمس أن تُواصِل إمداد الضوء لسماء الغرب لهذا الوقت الطويل بعد الغروب؟
ليس ضوء الشفق الأرجواني الثاني مفهومًا جيدًا. وربما يكون راجعًا إلى الضوء الذي يتشتَّت من طبقة جسيمات عالية لا يزال ضوء الشمس يضيئها بعد الغروب بوقت طويل. تقع مثل هذه الطبقة الرقيقة على ارتفاع ٨٥ كيلومترًا وتتألَّف من حطام المذنَّبات والكُويكِبات الذي تعترضه الأرض.
(١٤٦) تموجُّات في السماء
أفاد عدة مراقبين بوجود تموُّجات داكنة وساطعة تتحرَّك عبْر السحاب. في بعض الحالات بدَت التموُّجات عشوائية، وفي البعض الآخر بدت أشبه بالموجات.
خلال القتال بالقُرب من خط سيجفريد في الحرب العالمية الثانية، شاهدت القوات الأمريكية ظلالًا داكنة تمرُّ فوق سحب الطخرور البيضاء. كانت هذه الظلال على شكل أقواس تقع مراكزها فوق الجانب الألماني.
فما الذي يُسبِّب هذه الظواهر؟
(١٤٧) خط عبْر المطر البعيد
حين ترى مطرًا بعيدًا يهطل في ضوء الشمس المباشر، ربما تلاحظ خطًّا أفقيًّا يَفصل بين الهطول الأعلى الأكثر سطوعًا والهطول الأدنى الأقل سطوعًا. ما تفسير هذا الخط؟
(١٤٨) ليالٍ مضيئة
إذا كنت تعيش في منطقة لا تُلوِّثها في الليل الأضواء الشاردة، فربما تجد أن بعض الليالي مضيئة بشدة، حتى حين لا يكون القمر موجودًا. تبدو هذه الليالي مرتبطة بزخات الشهب، كما لو أن الشهب تجعل السماء أكثر سطوعًا. ومع ذلك فإن الشهب تَحترق لفترة قصيرة لا تفسر الضوء الإضافي. فهل هناك عامل آخر؟
(١٤٩) الضوء البروجي والوهج المعاكس وأضواء الليل الأخرى
في السماء المُظلِمة غير المقمرة، بعيدًا عن أضواء المدينة، ربما يكون بمَقدورك ملاحظة رقعتَين مُثيرتَين للاهتمام من الضوء. «الضوء البروجي» هو مثلَّث لبني يُمكن رؤيته في الغرب بعد غروب الشمس ببضع ساعات أو في الشرق قبل شُروق الشمس. تكون المشاهَدات الليلية في أفضلها قرب الاعتدال الربيعي، وتكون المشاهَدات الصباحية في أفضلها قرب الاعتدال الخريفي. يكون المثلَّث ساطعًا بقدر سطوع مجرَّة درب التبانة، وموجهًا على امتداد المسطح الذي تدور فيه الأرض حول الشمس.
أما «الوهج المعاكس» فهو ضوء خافت يستطيع بعض الناس رؤيته في النقطة المقابلة للشمس في السماء (النقطة المقابلة تمامًا للموضع الذي تشغله الشمس). يكون الضوء خافتًا لدرجة أنك ستحتاج إلى ظروف خاصة من الظلام كي تُشاهِدَه، بعينَين مُتكيفتَين مع الظلام جيدًا. وحتى حينئذٍ ربما لا يكون بمَقدورك رؤية الضوء إلا باستخدام «الرؤية الجانبية»، التي فيها تحرك عينَيك جيئة وذهابًا عبْر السماء بدلًا من أن تُثبتهما على موضع الوهج المعاكس. في نصف الكرة الشمالي تكون المشاهدة في أفضلها في شهر أكتوبر، لأن خلفية النجوم وقتها تكون مظلمة نسبيًّا.
في بعض الأحيان شُوهدت مناطق كبيرة متحرِّكة في سماء الليل، لكنها غير مرتبطة بالشفق.
ما تفسير هذه الأضواء الليلية؟
في مُنتصَف الليل قد تكون قادرًا على رؤية ضوء الشمس المُشتَّت عكسيًّا بواسطة الغبار الموجود في مدار الأرض. وهذا هو الوهج المُعاكِس. والأشكال الساطعة المُتحرِّكة يُعتقَد أنها وهج هوائي، قادم على الأرجح من جزيئات الهيدروكسيل الموجودة على ارتفاعات عالية والتي تَستثيرُها «موجات الكثافة» (وهي تذبذبات شبه موجية في الضغط ودرجة الحرارة، يُطلَق عليها غالبًا موجات الجاذبية) التي تتحرَّك عبْر المنطقة.
(١٥٠) انعكاسات أفق البحر
في أثناء وقوفك على شاطئ البحر، انظر إلى الانعكاسات الآتية من البحر أسفل الأفق مباشرة حين يكون البحر كثير الأمواج. إذا كان البحر عديم الأمواج فسيعكس السماء وكأنه مرآة أفقية كبيرة. ولكن نظرًا لأن الأمواج لها أسطح مائلة، فإنها تعكس أجزاءً مُتباينة من السماء. والجزء المُنعكِس من كل موجة يكون مائلًا بزاوية على المستوى الأفقي بمقدار ضعف ميل الموجة.
من الغريب أن الانعكاس الذي تراه أسفل الأفق مباشرة هو في المعتاد خاص بجزء السماء الواقع عند ٣٠ درجة تقريبًا فوق الأفق. وهذه الزاوية تُشير إلى أن الانحدار المتوسط للموجات مقداره ١٥ درجة. ومع ذلك تكشف القياسات عن أن الموجات ليس لها انحدار كبير بهذه الدرجة. فلماذا إذن يكون الانعكاس عند ٣٠ درجة تقريبًا؟
(١٥١) استخدام كرة معدنية صلبة لتركيز الضوء
في عام ١٨١٨، قدم العالم أوجستان جان فرينل نموذجًا للموجات الضوئية في مسابقة نظمتها الأكاديمية الفرنسية. اعترض العالم سيميون دي بواسون، أحد أعضاء لجنة التحكيم، بشدة على هذا النموذج، محاولًا تَسفيهه من خلال إجراء هذه التجربة الفكرية: إذا أضيء جسم مُصمت ذو مقطع عرضي دائري (مثل عملة معدنية أو كرة) باستخدام شعاع من الضوء، افترض نموذج فرينل للموجات الضوئية أنَّ من شأن منطقة ساطعة أن تظهر في مركز الظل الذي يُحدثه الجسم على شاشة بعيدة.
رتب دومينيك إف أراجو، عضو آخر بلجنة التحكيم، لاختبار الفرضية على الرغم من الاستنتاج العبثي. ومِن المُثير للدهشة أنه وجد البقعة المركزية المضيئة. ومن قبيل المفارقة التاريخية، أن المنطقة تُعرف الآن إما باسم بقعة بواسون أو بقعة أراجو، رغم أن كلا الرجلَين كانا لا يَعتقِدان في وجودها.
ومنذ اكتشاف المنطقة، استغلَّت عدة أبحاث الأجسام المُصمَتة، مثل كرة معدنية صغيرة مأخوذة من مَحمل، لتقوم مقام العدسة لتكوين الصور. وإذا تكونت الصورة على فيلم، يمكنك أن تصنع صورة فوتوغرافية كما هي الحال باستخدام كاميرا. لماذا تتكوَّن بقعة بواسون وكيف يُمكن لشيء مثل كرة صلبة مُصمَتة أن تجبر الضوء على تكوين صورة؟
تكون الدائرة المُعتِمة الأولى بسبب التداخل الهدَّام. لاحظ قمة الدائرة. المَوجات التي تمر خلال الجزء السفلي من الكرة لا بد أن تقطع مسافة أطول من الموجات التي تمرُّ خلال الجزء العلوي من الكرة لتصل إلى تلك النقطة. وتصل المسافة الإضافية إلى نصف طول موجي، ومِن ثَمَّ يَحدث للمَوجتَين (واحدة من أسفل وواحدة من أعلى) تداخُل هدَّام حين تَصلان إلى النقطة الموجودة على الشاشة.
يُعزى باقي النمط إلى تداخل بنَّاء أو هدَّام مشابه؛ ففي بعض المواضع، تختلف المسافة التي تقطعها الموجات القادمة من الجهة المقابلة من الكرة بمقدار عدد صحيح من الأطوال الموجية، وهو ما يسفر عن تداخل بنَّاء، يجعل الموجات مُتطاوِرة. وفي مواضع أخرى، يكون مقدار الاختلاف في الطول عبارة عن عدد فردي من نصف الأطوال المَوجية، وهو ما يُسفِر عن تداخل هدَّام؛ حيث إنها تجعل الموجات غير مُتطاورة.
وعندما تُكوِّن الكرة صورةً للجسم، فإن كل جزء لامع من الجسم يقوم مقام مصدر نقطي للضوء ويخلق نقطة ساطعة مُزاحة قليلًا بالقرب من مركز نمط الحيود. وتراكب هذه النقاط الساطعة يكرر تقريبًا شكل الجسم؛ ومِن ثَمَّ ينتج عنه صورة للجسم.
(١٥٢) دورة سريعة في مرآة المقوسة
اثنِ طبقةً لامعة من الورق المُفضَّض اللامع لتكون أسطوانة. أمسك بهذه المرآة المقوَّسة بحيث يكون المحور الطويل للأسطوانة أفقيًّا، ثم انظر عبْر الجزء الداخلي المقوس. اضبط تقوس المرآة والمسافة التي تَفصِلُك عنها بحيث تكون صورتك معكوسة (حينئذٍ تكون خارج بؤرة المرآة). إذا أدرت الأسطوانة بزاوية مِقدارها ٩٠ درجة مئوية بحيث يكون المحور رأسيًّا، فستنقلب صورتك لتصبح في وضعها الصحيح، بمعنى أنها ستدور بزاوية مقدارها ١٨٠ درجة مئوية. لماذا يكون دوران الصورة ضعف دوران الأسطوانة؟
ومع توجيه الأسطوانة في أي اتجاه، ترى الصور بنوعَيها؛ صورة معكوسة حقيقية أمام المرآة (تُكوِّنها المرآة المقوسة) وصورة افتراضية غير معكوسة أكثر تشويشًا خلف المرآة (تُكوِّنها المرآة المستوية). وعند توجيه الأسطوانة نحو اتجاه معين، يُهيمِن أحد النوعَين على رؤيتك. وعند توجيهها نحو الاتجاه آخر، يُهيمِن النوع الآخر. وهكذا، عندما تدير الأسطوانة بين الاتجاهَين، تتبدَّل الصورة التي تراها بين النوعَين، مما يُعطي انطباعًا واهمًا بأن ثمة صورة واحدة تدور بزاوية ١٨٠ درجة.
(١٥٣) لون دخان السجائر
لماذا ينحو لون الدخان المتصاعد مباشرة من سيجارة مشتعلة إلى الزرقة؛ بينما يكون لون الدخان الذي ينفثه المدخِّن أبيض اللون؟
(١٥٤) ماذا لو بإمكانك أن ترى في ضوء الأشعة فوق البنفسجية؟
تُعزى مَحدودية رؤيتك للون الأزرق عند أقصى طرف للطيف المرئي — جزئيًّا — إلى تزايد امتصاص القرنية وعدسة عينك للضوء. وإذا خضعت لعملية إزالة المياه البيضاء وقمتَ بزراعة عدسة صناعية، فربما تستطيع أن ترى ضوءًا أكثر قليلًا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. هبْ أن هذا كل ما تَستطيع أن تراه، هل سيبدو العالم الخارجي مختلفًا؟
(١٥٥) حيود حروف الأبجدية
إذا مرَّ شعاع ليزر عبْر فتحة صغيرة على هيئة حرف أبجدي، هل يُمكنك أن تتوقع نمط الحيود الذي سيترتَّب على ذلك؟ أو إذا عُرض عليك صورة للنمط، هل يمكنك أن تتوقع الحرف الأبجدي المستخدم؟ وإذا كان لديك جهاز أشعة ليزر، لعلك ترغب في ابتكار أحجية الأنماط المختلفة لحيود الضوء، باستخدام حروف الأبجدية. ومن أجل حل هذه الأحجية، قد يعمل أحدهم على فك شفرة الرسالة المكتوبة بهذه الحروف الأبجدية.
(١٥٦) لعبة الانعكاسات
أحضِر مرآتَين مُستطيلتَين صغيرتَين، وثبِّت عليهما شريطًا لاصقًا من الخلف بحيث يُمكن تثبيتهما على محور مشترك، ثم ضعهما فوق رسمة بقلم الرصاص. قد تبتكر الصورة الأصلية وانعكاسها تصميمًا مثيرًا.
هب أن الرسمة تتكوَّن من خط مستقيم أو خطَّين مستقيمين يمتدَّان من مرآة إلى أخرى بحيث يتلامَس الخطَّان وصورتاهما. وإذا عدلت وضعية المرآتَين وزواياهما، تستطيع أن تبتكر أشكالًا هندسية مُنتظمة.
ومن خلال إبقاء الزاوية أقل من ١٨٠ درجة، اكتشف أقل عدد مُمكن للخطوط المستقيمة اللازمة لابتكار شكل مربَّع ومُثمَّن ونجمة سداسية الأضلاع. ما رأيك في ابتكار نجمة داخل نجمة أخرى، مع محاذاة أطراف النجمتَين بعضها مع بعض أو عدم محاذاتها على الإطلاق؟ ما أقل عدد مُمكن للخطوط المستقيمة اللازمة لصنْع مربَّع بداخله مربع صغير عند كل زاوية؟
