Кристаллические  твёрдые тела характеризуются наличием строгого порядка в расположении атомов (молекул). Для большинства же знакомых нам жидкостей характерно отсутствие порядка в расположении молекул.

Однако в природе встречаются вещества, обладающие одновременно основными свойствами кристалла и жидкости. С одной стороны, эти вещества текучи как жидкости. С другой стороны, они характеризуются порядком в расположении молекул и, соответственно, анизотропией физических свойств (зависимостью оптических, электрических и других свойств от направления в веществе). Такие вещества называются жидкими кристаллами.

Первое жидкокристаллическое соединение, холестерилбензоат, было открыто австрийским учёным Рейнитцером. Рейнитцер обнаружил, что при температуре плавления, равной $145^\circ C$, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая затем при $179^\circ C$ становилась прозрачной. Поражённый этим необычным явлением, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбензоата. Исследуя препараты при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной, а прозрачная -- изотропной.

Жидкими кристаллами являются в основном органические вещества, молекулы которых имеют, например, длинную нитевидную форму. Нитевидные молекулы расположены параллельно друг другу, однако беспорядочно сдвинуты, т.е. порядок, в отличие от обычных кристаллов, существует только в одном направлении. Физические свойства жидкого кристалла (например, его прозрачность при прохождении светового луча) зависят от направления в кристалле. Это используется при создании жидкокристаллических экранов телевизоров.
 

Когда мы говорим о чём-то нереальном, неуловимом, мы используем слово «мираж». Он возникает перед наблюдателем чудесным видением, но при попытке приблизиться к нему исчезает. Миражи можно наблюдать не только в пустынях, но и в степях, и даже в более холодных широтах. Хорошо известна легенда из Средних веков о так называемом «Летучем

голландце»  — корабле-призраке, вызывавшем суеверный страх у матросов.

Различают несколько видов миражей. Основными являются нижние, так называемые озёрные, миражи и верхние миражи. «Озёрные» миражи возникают над сильно нагретой поверхностью, например, днём в пустыне. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлаждённой поверхностью, например, над холодной водой.

Одной из основных причин возникновения миражей является рефракция света в атмосфере, то есть искривление световых лучей при прохождении в атмосфере, вызванное оптической неоднородностью атмосферного воздуха. Учёные установили, что показатель преломления воздуха  — это непостоянная величина, она зависит от ряда факторов, одним из основных является плотность воздуха. Плотность же воздуха в атмосфере изменяется как с высотой, так и в зависимости от степени локального нагрева или охлаждения. При увеличении плотности воздуха показатель преломления воздуха увеличивается.

Известно, что плотность воздуха понижается при переходе от нижних слоёв атмосферы к верхним. Кроме того, она уменьшается также при локальном нагревании и даже зависит от ветра. Рассмотрим, например, как образуется простой верхний мираж. На рисунке 1 показано изменение показателя преломления воздуха n c высотой h для случая, когда воздух у самой поверхности земли локально сильно охлаждён. Как видно из графика, показатель преломления воздуха n у самой поверхности земли больше, чем в более высоких воздушных слоях. На некоторой высоте наблюдается плавный скачок, и далее с ростом высоты показатель преломления n уменьшается уже более медленно.

Световые лучи, идущие от какого-либо объекта, находящегося на такой сильно охлаждённой поверхности, будут изгибаться так, что их траектория будет обращена выпуклостью вверх (см. рис. 2). Поэтому наблюдатель может даже видеть объекты, находящиеся за горизонтом, причём он будет видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта. Недаром такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевёрнутое изображение. Перевёрнутое изображение, как на рисунок 2, возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой достаточно быстро. В случае же относительно медленного уменьшения показателя преломления с высотой формируется прямое изображение.
 

Как возникают «озёрные» миражи
Для объяснения многих интересных оптических эффектов, наблюдаемых в атмосфере, необходимо учитывать такое явление, как рефракция света. Под этим термином понимают искривление световых лучей при прохождении в атмосфере, вызванное оптической неоднородностью атмосферного воздуха. Причина этого кроется в изменениях плотности воздуха (а значит, и показателя преломления) в зависимости от высоты или при нагревании или охлаждении. Показатель преломления среды определяется формулой n=c/v, где c -- скорость света в вакууме, а v -- скорость света в данной среде. Скорость света v в среде всегда меньше скорости c и зависит, в частности, от плотности среды. Чем плотнее воздух, тем меньше v и, значит, тем больше показатель преломления воздуха. Плотность воздуха понижается при переходе от нижних слоёв атмосферы к верхним. Уменьшается она также при локальном нагревании и даже зависит от ветра.

При рефракции света в атмосфере наблюдатель видит объект не в том направлении, какое соответствует действительности; объект может представляться искажённым, например, диск заходящего солнца, находящегося у самой линии горизонта, кажется сплюснутым по вертикали. Особенно впечатляют явления, получившие название миражей. Различают верхние и нижние («озёрные») миражи.

Нижние миражи возникают над сильно нагретой поверхностью, например, в знойной пустыне или над асфальтовой дорогой в жаркий день. В пустыне непосредственно над горячим песком воздух так сильно нагрет, что его плотность и, соответственно, показатель преломления меньше, чем в более высоких воздушных слоях. На рисунке 1 показано изменение показателя преломления воздуха n c высотой h для пустыни в дневное время суток.

Благодаря неоднородности показателя преломления воздуха c луч света искривляется так, как показано на рисунке 2. Поэтому, когда луч попадает в глаз наблюдателя, то ему кажется, что он исходит из точки A', а не из точки A.

Таким образом, если на горизонте находятся пальмы или другие объекты, то наблюдатель видит их перевёрнутыми и воспринимает как отражения в несуществующих озёрах. Вода в этих «озёрах»  — отражение голубого небосвода. Наблюдателю кажется, что оазис с пальмами находится на расстоянии один-два километра. Но по мере продвижения вперёд «озеро» всё так же находится где-то впереди, а вокруг по-прежнему одни пески. Наблюдать нижний мираж можно не только в пустынях, но и в наших широтах. Например, при поездке на автомобиле в жаркий летний день на асфальтовой дороге, когда она сильно нагрета солнцем, можно увидеть лужи воды впереди автомобиля, хотя дорога сухая. По мере того как автомобиль движется по дороге вперёд, «лужи» отступают всё дальше и дальше, оставаясь недосягаемыми.

Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) — автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме астрономического учебника Птолемей написал ещё книгу «Оптика», в которой описал, в частности, явление преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звёзды.

Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провёл следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на оси линейки L₁ и L₂ так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг неё (см. рисунок). Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.

Мираж является оптическим явлением в атмосфере, которое делает видимыми предметы,
которые в действительности находится вдали от места наблюдения, отображает
их в искажённом виде или создаёт мнимое изображение.

Миражи бывают нескольких видов: нижние, верхние, боковые миражи и др. Образование
миражей связано с аномальным изменением плотности в нижних слоях атмосферы (что в свою
очередь связано с быстрыми изменениями температуры).

Нижние миражи возникают преимущественно в тех случаях, когда слои воздуха
у поверхности Земли (например, в пустыне) очень сильно разогреты и их плотность становится
аномально низкой. Лучи света, которые исходят от предметов, начинают преломляться
и сильно искривляться. Они описывают дугу у поверхности и идут снизу вверх. В таком
случае можно увидеть предметы как будто зеркально отражёнными в воде, а на самом деле
это перевёрнутые изображения отдалённых объектов (рис. 1). А мнимое изображение неба.
создаёт при этом иллюзию воды на поверхности.

Верхние миражи возникают над сильно охлажденной поверхностью, когда над слоем
холодного воздуха у поверхности образуется более тёплый верхний слой (рис. 2). Верхние
миражи являются наиболее распространёнными в полярных регионах, особенно на больших
ровных льдинах со стабильной низкой температурой. Изображения предметов, наблюдаемые
прямо в воздухе, могут быть и прямыми, и перевёрнутыми.

Иногда миражи приводят к жертвам. Одним из самых опасных мест является пустыня
Эрг-ор-Рави на севере Африки. Перед уставшими путниками на расстоянии 2-3 километров.
предстают оазисы, реальное расстояние до которых составляет не менее 700 километров.
 

Прежде чем луч света от удалённого космического объекта (например, звезды) попадёт в глаз наблюдателя, он должен пройти сквозь земную атмосферу. При этом световой луч подвергается процессам рефракции, поглощения и рассеяния. Рефракция света в атмосфере -- оптическое явление, представляющее собой преломление световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов (например, наблюдаемых на небе звёзд). По мере приближения светового луча от небесного тела к поверхности Земли плотность атмосферы растёт (рис. 1) и лучи преломляются всё сильнее. Процесс распространения светового луча через земную атмосферу можно смоделировать с помощью стопки прозрачных пластин, оптическая плотность которых изменяется по ходу распространения луча (рис. 2).

Из-за рефракции наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения (рис. 3). Угол между истинным и видимым направлениями на объект называется угол рефракции. Звёзды вблизи горизонта, свет которых должен пройти через самую большую толщу атмосферы, сильнее всего подвержены действию атмосферной рефракции (угол рефракции составляет порядка 1/6 углового градуса).

Ещё во времена античности было известно, что солнечные лучи несут не только свет, но и тепло. В 1800 году английский учёный У. Гершель, двигая чувствительный термометр вдоль солнечного спектра, обнаружил нагревание термометра в области, находящейся за границей красной части спектра и невидимой для глаза. Так было открыто инфракрасное излучение.

В 1801 году немецкий физик И. Риттер исследовал химическое воздействие излучения различных участков солнечного спектра с помощью хлористого серебра (оно чернеет под действием света). Учёный обнаружил, что потемнение хлористого серебра постепенно возрастает при переходе от красной к фиолетовой части спектра и достигает максимума за фиолетовой областью, там, где глаз не воспринимает никаких лучей. Так было открыто ультрафиолетовое излучение.

Ультрафиолетовый спектр разделяют на ультрафиолет-А (УФ-А) с длиной волны 315-400 нм, ультрафиолет-В (УФ-В) -- 280-315 нм и ультрафиолет-С (УФ-С) -- 100-280 нм, которые отличаются по проникающей способности и биологическому воздействию на организм. Коротковолновая часть ультрафиолета, излучаемого Солнцем, не достигает поверхности Земли. Из-за наличия озонового слоя в атмосфере Земли, поглощающего ультрафиолетовые лучи, спектр солнечного излучения вблизи поверхности Земли практически обрывается на длине волны 290 нм.

Под действием ультрафиолета в коже человека вырабатывается особый пигмент, интенсивно отражающий эту часть солнечного спектра. При этом кожа приобретает характерный оттенок, известный как загар. Спектральный максимум пигментации соответствует длине волны 340 нм.

Недостаток УФ-лучей опасен для человека, так как эти лучи являются стимулятором основных биологических процессов организма. Наиболее выраженное проявление «ультрафиолетовой недостаточности» -- авитаминоз, при котором нарушается фосфорно-кальциевый обмен и процесс костеобразования, а также происходит снижение работоспособности и защитных свойств организма от заболеваний. Подобные проявления характерны для осенне-зимнего периода при значительном отсутствии естественной ультрафиолетовой радиации (так называемое «световое голодание»).