Была ли верна теория Клаузиуса о цвете неба?

Задача, которая выглядит проще облака

Голубое небо и красный закат кажутся почти готовыми объяснениями: достаточно посмотреть вверх, а природа будто уже выдала иллюстрацию. В действительности вопрос требовал отделить свет, пришедший прямо от Солнца, от света, изменённого атмосферой по дороге к наблюдателю. Именно этой задачей Клаузиус занялся в докторской диссертации, защищённой в Галле; работа касалась также поляризации света.

Его объяснение связывало окраску неба и заката с отражением и преломлением. Преломление меняет направление луча при переходе между средами, а отражение возвращает часть света от границы или частиц. Такие процессы вполне реальны и важны в оптике, поэтому гипотеза не была набором красивых слов для синего свода. Клаузиус применил к проблеме математику глубже, чем предшественники, и пытался дать физическому впечатлению количественную форму.

Но верная математическая серьёзность не даёт механизму пожизненную страховку. Для атмосферы решающим оказался другой процесс — рассеяние света. Свет взаимодействует с молекулами воздуха и мелкими частицами, меняя направление; коротковолновая, синяя часть видимого света рассеивается заметнее красной. Поэтому со многих направлений неба к наблюдателю приходит сравнительно больше синего света.

Почему закат не спасает старую схему

Когда Солнце низко над горизонтом, его луч проходит через атмосферу значительно более длинный путь. Синяя часть по дороге сильнее рассеивается в стороны, и в прямом солнечном свете остаётся сравнительно больше красных и оранжевых оттенков. Пыль, дым, капли и облака способны усложнить картину, сделать закат особенно багровым или почти молочным, но основной механизм не сводится к отражению и преломлению, предложенным в диссертации.

Поляризация, которой занималась работа, показывает, что задача и без того была богаче простой палитры. Рассеянный свет нередко оказывается частично поляризованным: колебания электрического поля получают предпочтительное направление. Это свойство помогало исследовать атмосферный свет, но само по себе не превращает раннее объяснение цветов в правильное. В физике одна верная особенность явления не обязана оправдывать всю схему его происхождения.

Раннюю работу Клаузиуса следует считать ошибочной по физической основе, но не бесполезной по историческому смыслу. Она показывает исследователя, который взялся за сложную оптическую проблему и усилил её математический разбор. Позднее развитие теории рассеяния уточнило, где именно рассуждение свернуло не туда.

Из этого эпизода не получается вывод о его термодинамике — ни обвинительный, ни оправдательный. Цвет неба, теория теплоты и эффективность тепловых машин относятся к разным предметам, строятся на разных аргументах и принадлежат разным этапам работы. У учёного вполне может быть одна содержательная, но неверная диссертация и другие результаты, пережившие проверку временем; физика не требует от ранней главы биографии сертификата безошибочности на всю библиотеку.