Излучение черного тела

•

Абсолютно черное тело, полностью поглощающее электромагнитное излучение любой частоты, при нагревании излучает энергию в виде волн, равномерно распределенных по всему спектру частот

ОТКРЫТИЕ КИРХГОФА—БУНСЕНА

СПЕКТРОСКОПИЯ

ПОСТОЯННАЯ ПЛАНКА

излучение черного тела

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

К концу XIX века ученые, исследуя взаимодействие электромагнитного излучения (в частности, света) с атомами вещества, столкнулись с серьезными проблемами, решить которые удалось только в рамках квантовой механики, которая во многом и зародилась благодаря тому, что эти проблемы возникли. Чтобы понять первую и, пожалуй, самую серьезную из этих проблем, представьте себе большой черный ящик с зеркальной внутренней поверхностью, в одной из стенок которого проделана маленькая дырочка. Луч света, проникающий в ящик через микроскопическое отверстие, навсегда остается внутри, бесконечно отражаясь от стенок. Объект, не отражающий света, а полностью поглощающий его, выглядит черным, поэтому его и принято называть черным телом. (Абсолютно черное тело — подобно многим другим концептуальным физическим явлениям — объект чисто гипотетический, хотя, например, полая, равномерно разогревающаяся зеркальная изнутри сфера, свет в которую проникает через единственное крохотное отверстие, является хорошим приближением.)

Вам, однако, наверняка доводилось и в реальности видеть достаточно близкие аналоги черного тела. В очаге, например, случается, что несколько поленьев сложатся практически вплотную, а внутри них выгорит довольно большая полость. Снаружи поленья остаются темными и не светятся, в то время как внутри выгоревшей полости накапливаются жар (инфракрасное излучение) и свет, и, прежде чем вырваться наружу, эти лучи многократно отражаются от стен полости. Если заглянуть в щель между такими поленьями, вы увидите яркое желто-оранжевое высокотемпературное свечение и, оттуда на вас буквально полыхнет жаром. Просто лучи на какое-то время оказались пойманными в ловушку между поленьями подобно тому, как свет полностью улавливается и поглощается вышеописанным черным ящиком.

Модель такого черного ящика помогает нам понять, как ведет себя поглощенный черным телом свет, взаимодействуя с атомами его вещества. Тут важно понять, что свет поглощается атомом, тут же испускается им и поглощается другим атомом, снова испускается и поглощается, и так будет происходить до момента достижения состояния равновесного насыщения. При нагревании черного тела до равновесного состояния интенсивность испускания и поглощения лучей внутри черного тела уравниваются: при поглощении некоего количества света определенной частоты одним атомом другой атом где-то внутри одновременно испускает такое же количество света той же частоты. Таким образом, количество поглощенного света каждой частоты внутри черного тела остается неизменной, хотя поглощают и испускают его разные атомы тела.

До этого момента поведение черного тела остается достаточно понятным. Проблемы в рамках классической физики (под «классической» здесь имеется в виду физика до появления квантовой механики) начались при попытках подсчитать энергию

излучения, сохраняемую внутри абсолютно черного тела в равновесном состоянии. и скоро выяснились две вещи:

—чем выше волновая частота лучей, тем больше их накапливается внутри черного тела (то есть, чем короче длины волн исследуемой части спектра волн излучения, тем больше лучей этой части спектра внутри черного тела предсказывает классическая теория);

—чем выше частота волны, тем большую энергию она несет и, соответственно, тем больше ее сохраняется внутри черного тела.

По совокупности два этих заключения привели к немыслимому результату: энергия излучения внутри черного тела должна быть бесконечной! Эта злая насмешка над законами классической физики была окрещена ультрафиолетовой катастрофой, поскольку высокочастотное излучение лежит в ультрафиолетовой части спектра.

Порядок удалось восстановить немецкому физику Максу Планку (см. постоянная планка) — он показал, что проблема снимается, если допустить, что атомы могут поглощать и излучать свет только порциями и только на определенных частотах. (Позже Альберт Эйнштейн обобщил эту идею, введя понятие фотонов — строго определенных порций светового излучения.) По такой схеме многие частоты излучения, предсказываемые классической физикой, просто не могут существовать внутри черного тела, поскольку атомы не способны ни поглощать, ни испускать их; соответственно, эти частоты выпадают из рассмотрения при расчете равновесного излучения внутри черного тела. Оставив только допустимые частоты, Планк предотвратил ультрафиолетовую катастрофу и направил науку по пути верного понимания устройства мира на субатомном уровне. Кроме того, он рассчитал характерное распределение равновесного излучения черного тела по частотам.

Это распределение получило всемирную известность через многие десятилетия после его публикации самим Планком, когда ученые-космологи выяснили, что открытое ими реликтовое микроволновое излучение (см. большой взрыв) в точности подчиняется распределению Планка по своим спектральным характеристикам и соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре около трех градусов выше абсолютного нуля.

Иммунная система

Иммунная система призвана распознавать «чужаков», вторгшихся в наш организм, передавать эту информацию специализированным клеткам и отражать нападение

1729, • СУТОЧНЫЕ РИТМЫ сер. XX

XIX-XX • РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ

1937 • ГЛИКОЛИЗ И ДЫХАНИЕ

сер. • иммунная система

Х

Среда обитания человека и других живых организмов весьма агрессивна. Нас подстерегают всевозможные вирусы и бактерии, ожидающие своего часа, чтобы напасть, поэтому задача нашей иммунной системы — защитить нас от их нападения. Некоторые рубежи обороны — чисто анатомические: например, кожа и слизистые оболочки образуют физический барьер, препятствующий вторжению. Если эти внешние границы нарушены, организм часто противопоставляет агрессии генерализованную воспалительную реакцию, при которой усиливается приток крови к пораженному участку. Кровь доставляет лейкоциты, которые, проникнув через стенку капилляров, захватывают внедрившегося агрессора. Именно такой реакцией объясняется хорошо знакомая нам краснота вокруг небольшого пореза.

Однако работа иммунной системы строится на иных принципах, а именно на вербовке специализированных молекулярных структур, действие которых направлено на специфичные мишени. К наиболее важным из этих структур относятся антитела — Y-образные молекулы. На концах Y-молекул собраны молекулы аминокислот (см. белки) различной формы. Каждая форма соответствует агрессору, или антигену, определенного вида. В организме взрослого человека насчитывается до 100 миллионов различных видов антител, отличающихся формой. В некотором смысле, иммунная система похожа на крупный магазин готового платья, где в наличии любые размеры одежды. При вторжении чужеродного организма можно с большой вероятностью надеяться на то, что один из 100 миллионов нарядов, имеющихся на вешалках, окажется ему впору. То, как антитела циркулируют в организме, определяется расположением аминокислот в «ножке» буквы Y — некоторые из них, например, циркулируют в кровяном русле и крайне эффективно уничтожают бактерии и вирусы, тогда как другие связываются со специализированными клетками в коже и слизистой оболочке кишечника.

В-клетки, или В-лимфоциты, — это главные клетки, отвечающие за функцию распознавания чужеродных организмов антителами. (Название связано с тем, что рост и созревание этих клеток происходит в костном мозге — bone marrow.) Эти клетки имеют форму, близкую к сферической, и на их внешней оболочке находятся разнообразные специализированные антитела. Когда чужеродный организм распознан — то есть когда антиген входит в контакт с соответствующим ему антителом на определенном В-лим-фоците, — начинается размножение В-лимфоцитов. Процесс размножения преследует две цели. Во-первых, при этом происходит образование клеток (называемых плазматическими клетками), синтезирующих в большом количестве молекулы антител, специфичные по отношению к агрессору. Во-вторых, образуются клетки памяти, способные отреагировать на присутствие антигена спустя месяцы и годы после первого вторжения.

Одна плазматическая клетка способна образовывать до 30 000 молекул антител в секунду. Эти молекулы связываются с вторгшимися в организм бактериями, заставляя их собираться в группы, после чего эти скопления могут быть удалены другими клетками из организма. Однако для созревания плазматическим клеткам может потребоваться несколько дней. О победе антител организм обычно сигнализирует появлением лихорадки. Плазматические клетки живут лишь несколько дней, тогда как продолжительность жизни клеток памяти намного больше — иногда они сохраняются до конца жизни человека. В случае повторного вторжения того же самого антигена эти клетки сразу вступают в бой и немедленно синтезируют в огромном количестве антитела, минуя съедающий драгоценное время процесс распознавания. именно этим объясняется наш иммунитет к последующим инфекциям. Основная цель вакцинации состоит как раз в образовании клеток памяти.

В-клетки защищают организм в основном от внешних вторжений — от молекул, имеющих «чужеродный» химический состав. Иммунные клетки другого типа — Т-клетки (или Т-лим-фоциты) — имеют дело с клетками организма, видоизмененными из-за поражения инфекцией или раком. (В действительности этим занимается лишь около половины Т-лимфоцитов; вторая половина регулирует активность В-лимфоцитов.)

Т-лимфоциты получили название от тимуса — железы, в которой они растут и созревают. На внешней оболочке Т-лимфо-цитов находятся белки, распознающие специфичные молекулы, а не специфичные антигены (в отличие от В-лимфоцитов). Т-лим-фоциты реагируют с антигенами после объединения с молекулами другого типа, называемыми комплексом гистосовместимости и присутствующими во всех клетках индивидуума. Т-лимфоцит исполняет роль часового, который переходит с одного места на другое и окликает другие клетки, спрашивая у них пароль. Если на поверхности клетки оказывается верный комплекс гистосовмести-мости, Т-лимфоцит проходит дальше. Если что-то не в порядке, например комплекс изменен белком вирусной оболочки, Т-лим-фоцит взаимодействует с клеткой и разрушает ее.

Трансплантация органов является настолько сложной проблемой именно из-за способности Т-лимфоцитов распознавать «чужаков». Т-лимфоциты стремятся атаковать пересаженный орган, поэтому их необходимо сдерживать с помощью лекарств-иммунодепрессантов. Кроме того, Т-лимфоциты являются мишенью для вируса, вызывающего СПИД, который во многом совпадает с рецепторами Т-лимфоцитов. Наконец, случается, что способность Т-лимфоцитов распознавать «своих» постепенно снижается, и тогда иммунная система может атаковать собственные клетки организма. Так возникают аутоиммунные заболевания, например ревматоидный артрит.

Интерференция

Интерференция волн может приводить как к усилению, так и к гашению их амплитуды

1690 • ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

ДИФРАКЦИЯ

Волны — один из двух путей переноса энергии в пространстве (другой путь — корпускулярный, при помощи частиц). Волны обычно распространяются в какой-то среде (например, волны на поверхности озера распространяются в воде), однако направление движения самой среды не совпадает с направлением движения волн. Представьте себе поплавок, покачивающийся на волнах. Поднимаясь и опускаясь, поплавок повторяет движения воды, в то время как волны проходят мимо него.

Явление интерференции происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в различных направлениях. При этом оно наблюдается и у волн, распространяющихся в средах, и у электромагнитных волн (см. спектр электромагнитного излучения). То есть интерференция является свойством волн как таковых и не зависит ни от свойств среды, ни от ее наличия. Чтобы понять ее механизм, проще всего вернуться к примеру волн на водной поверхности и представить себе, что каждая волна несет в себе инструкцию для элементов поверхности, например «подняться на 1 метр» или «опуститься на 30 см». В точке взаимодействия двух волн поверхность просуммирует две такие инструкции — в данном примере, она поднимется на 70 см (1 м - 30 см).

Самое поразительное происходит в точке встречи двух волн равной амплитуды, достигших места встречи в противофазе (то есть когда пик максимума амплитуды одной волны накладывается на пик минимума амплитуды другой). В таком случае, условно говоря, одна волна передает поверхности инструкцию «подняться на 1 м», а другая — «опуститься на 1 м», в результате чего поверхность воды просто остается на месте. В этом случае на воде мы наблюдаем точку штиля. В акустике — мертвую точку. В оптике — точку полного затемнения. Это явление называется интерференционным гашением волн, или деструктивной интерференцией.

Возможна и прямо противоположная ситуация, когда две волны встречаются в точке совпадения фаз, и амплитуды колебаний среды складываются (при равной амплитуде встретившихся волн, например, амплитуда линейных колебаний среды удвоится). Это явление называется интерференционным усилением волн, или конструктивной интерференцией. Волны на поверхности воды в таких точках будут самыми высокими, звуки — самыми громкими, свет — самым ярким. Естественно, имеется множество промежуточных значений интерференционной амплитуды колебаний, лежащих в пределах от полностью конструктивной до полностью деструктивной интерференции, которые образуют причудливую и в то же время упорядоченную интерференционную картину взаимодействия волн.

Эффект интерференционного гашения позволяет нам судить, имеем мы дело с волной или с частицей. Действительно, при встрече двух бильярдных шаров трудно представить ситуацию, при

которой оба шара просто исчезнут, — самое большее, при сильном соударении они могут раскрошиться. Фактически, именно явление интерференции света окончательно убедило ученых XIX столетия в его волновой природе.

Одним из простейших экспериментальных доказательств стал опыт британского ученого Томаса Юнга. Пучок света направлялся на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого был установлен второй, проекционный экран. Если бы свет состоял из частиц, на проекционном экране мы увидели бы всего две параллельных полосы света, прошедших через прорези ширмы. А между ними проекционный экран оставался бы практически неосвещенным.

Если же, с другой стороны, свет представляет собой распространяющиеся волны, картина должна наблюдаться принципиально иная. Согласно принципу гюйгенса, каждая прорезь является источником вторичных волн. Эти волны, в частности, достигли бы линии в середине экрана, находящейся на равном удалении от прорезей синхронно и в одной фазе — гребень к гребню, провал к провалу. Значит, на серединной линии экрана оказалось бы выполненным условие максимального интерференционного усиления, и там должен наблюдаться максимум яркости. То есть наивысшая яркость окажется именно там, где она должна быть практически нулевой в случае справедливости корпускулярной гипотезы света. На каком-то удалении от центральной линии, напротив, волны должны оказаться в противофазе, и там будет наблюдаться темная полоса. По мере дальнейшего удаления от средней линии яркость будет снова возрастать до максимума, затем снова убывать и т.д. Таким образом, на проекционном экране мы должны получить целый ряд чередующихся интерференционных полос. И опыт Юнга это с блеском подтвердил, развеяв все сомнения в волновой природе света.

Сюрприз ждал физиков столетием позже, когда через аналогичный экран с двумя щелями пустили пучок электронов. Выяснилось, что и они образуют на проекционном экране четкую интерференционную картину с чередованием «светлых» и «темных» полос. Следовательно, для электронов действительно выполняется соотношение де бройля, хотя все привыкли считать их частицами!

Интерференция сегодня широко применяется в экспериментальной физике, будучи положена в основу действия измерительного прибора под названием интерферометр. Интерферометры бывают самых разных конструкций, в зависимости от того, что именно они должны измерять, но принцип работы у любого интерферометра один и тот же: луч разбивается на два синфазных луча посредством использования частично пропускающего луч зеркала, после чего один луч направляется на экран напрямую, а другой — через исследуемый образец (конструкция прибора и частоты лучей могут быть самыми различными в зависимости от объ

екта исследований). В конечно итоге оба луча попадают на регистрационный экран, и по полученной интерференционной картине можно с большой точностью судить о свойствах исследуемого образца, поскольку смещение интерференционных полос позволяет отслеживать малейшие смещения фазы луча в результате взаимодействия с исследуемым веществом. Интерферометры позволяют регистрировать задержки светового луча на время значительно меньше полупериода световой волны. Именно опыт май-кельсона—морли, проведенный с использованием точнейшего интерферометра и не выявивший эфирного ветра, заставил ученых окончательно отказаться от идеи мирового эфира.

ТОМАС ЮНГ (Thomas Young, 1773-1829) — английский ученый широкого профиля. Родился в Милвертоне, графство Сомерсет (Milverton, Somerset), в семье плотника. Проявил себя вундеркиндом: к шести годам прочитал всю Библию, к тринадцати — свободно владел несколькими европейскими языками. Формально получив медицинское образование, был видным членом целого ряда Лондонских научных обществ, в 1809 году был избран в

Королевскую коллегию врачей. Прославившись более всего опытом по доказательству волновой природы света, сделал немало и для развития других областей естествознания, в частности открыл изменение формы хрусталика человеческого глаза. Многое сделал для развития теории упругости (см. Закон Гука). В последние годы жизни вернулся к изучением древних языков, участвовал в расшифровке текстов Розеттского камня.

Инфляционная стадия расширения Вселенной

Сразу после зарождения Вселенная расширялась невероятно быстро

•

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

ТЕОРИЯ