Глава 10. Как прекрасен этот свет

Из этой главы вы узнаете…

Почему вы можете получить свет из песчинки, но не из бороды шотландца.

Чем свеча опаснее вулкана и сколько нужно светлячков, чтобы светить вам с силой свечи.

Сколько частиц света испускает в секунду факел.

Почему вы можете видеть отражение своего лица в своих ботинках.

У вас никогда не возникало чувства, что даже наедине с собой вы не одиноки? Оторвите на секунду взгляд от страницы и рассмотрите комнату, в которой находитесь. Что вы видите? Диван, компьютер, книги, растения, винные бокалы, детские игрушки и вещи, разбросанные там и сям? И тем не менее, как это ни удивительно, вы не видите ничего. Потому что на самом деле вы видите только свет. И еще более удивительно то, что, хотя вы можете видеть только свет, его-то вы и не распознаете. Как он выглядит? Где находится? Посмотрите вокруг себя еще внимательнее, и вы заметите, что, например, в космосе света нет. Можно сказать, что космос – это пустота, самое темное из всего, что можно себе представить.

Свет всегда был загадкой. Он легкий и манящий, как бабочка. И многие думали, что они эту бабочку поймали. Исаак Ньютон, блестящий, но угрюмый английский ученый, с которым мы встречались в главе 1, к 1704 году понял многое из того, что мы знаем сегодня о свете[140]. Тогда он опубликовал очень смелый и подробный труд о природе света, который назвал «Оптика» (Opticks). Многие из его умозаключений справедливы и поныне, включая его поразительное для того времени открытие, что белый свет можно разделить на семь цветов радуги, а также его интуитивную веру в то, что свет состоит из микроскопических частиц (корпускул), попадающих на сетчатку нашего глаза[141]. Современники Ньютона, особенно англичанин Роберт Гук и голландец Кристиан Гюйгенс, напротив, утверждали, что природу света гораздо легче объяснить с точки зрения волн, проходящих через пустоту. Эти волны представлялись им слишком малыми для того, чтобы их можно было обнаружить глазом, но именно волновая теория позволяла, по их мнению, понять волшебство света. По сей день ученые (и, как вы узнаете из этой книги, ученые-популяризаторы) не выработали единых взглядов на природу света и описывают его и как волновое, и как корпускулярное явление[142].

Частицы света мы называем фотонами . Этот термин мы используем для описания всего, что происходит со светом у нас дома, начиная от глазка домофона и заканчивая солнечной панелью на крыше. Из того, как много мы говорим о фотонах, можно было бы сделать вывод о том, что мы давно решили все загадки света. Но здравый смысл подсказывает нам, что это не так. В начале XX века, когда многим физикам казалось, что им остается только связать кое-где концы с концами[143], Альберт Эйнштейн обнаружил пробелы в наших познаниях о природе. Его новая революционная теория относительности гарантировала многим поколениям физиков огромный объем работы на многие годы вперед. (Одна из центральных идей его теории – о том, что скорость света остается величиной постоянной, как бы вы ее ни измеряли, – порождает огромное количество загадок, начиная с того, что космические ракеты во время старта становятся тяжелее, и заканчивая тем, что идентичные близнецы могут стареть с разной скоростью.) Эйнштейн был достаточно уверен в себе, чтобы не бояться демонстрировать несовершенство собственного знания: «Каждый физик уверен в том, что знает, что именно представляет собой фотон. Я потратил всю свою жизнь на то, чтобы понять, чем же являются на самом деле фотоны, и до сих пор не понимаю, что это такое. Мы не знаем о свете очень многого, но кое-что все-таки знаем»[144].

Что такое свет?

Вкратце – это энергия, которую мы видим. Но этот краткий ответ описывает только внешнюю сторону явления. Большинство проблем, с которыми мы сталкиваемся при изучении природы света, проистекают из того, что мы считаем свет замечательным и уникальным феноменом.

Для большинства из нас свет становится главным источником информации. От трети до половины времени кора нашего головного мозга тратит на обработку информации, которую ей поставляют глаза, отражая явления окружающего мира[145]. Ученые же считают свет крайне важным совсем по другой причине. Со времен Эйнштейна они узнали о нем нечто особенное. Это его скорость, самая высокая величина, с которой объект может перемещаться в пространстве. Интересно, что скорость света вошла в соответствующие уравнения не в результате того, что человек смог увидеть или почувствовать ее. Самым важным в этом смысле является знаменитейшее уравнение Эйнштейна Е = mc ². Из него следует, что энергия и масса – одно и то же, а связывает их скорость света. Эта идея до сих пор вводит в ступор многих людей, которые никак не могут поверить в нее[146]. Как, например, можно сравнить «пивной живот» человека (масса) с утренним пением дрозда (энергия)? Для зашоренного разума, мыслящего обыденными категориями, это бессмыслица. Как же это всё объяснить? Мы очень поверхностно представляем себе свет как некую эманацию лучей от гигантского космического факела, которые пронзают космос и темноту только для того, чтобы нам было удобно. Свет существует в силу гораздо более фундаментальных и сложных причин. А наше зрение (случайное преимущество, созданное эволюцией) всего лишь ловко воспользовалось им.

Иными словами, слово свет имеет принципиально разное значение для ученых и простых людей. Чтобы пролить больше света на сам свет , на его природу, необходимо смотреть философски. Человек воспринимает окружающий мир эгоцентрически. Воспринимая узкую полоску света, который поступает через защитный барьер ресниц на хрусталик глаза, мы считаем, что видимое нами – и есть весь наш мир, и соответственно строим нашу жизнь по человеческим меркам.

Ученые видят другие реальности, которые и значительно шире, и значительно у же масштабов ви дения человека. Они видят астрономические расстояния, измеряемые световыми годами (9,5 трлн км, которые свет пробегает за один год); или наблюдают микромир с атомами и молекулами, где теряется человеческое представление о сущем[147]. Для ученых свет – не просто «энергия, которую мы можем видеть». Это скорее «очень специфический вид энергии, которая распространяется с постоянной и чудовищной скоростью и только небольшую часть которой наш глаз способен различать».

Невидимый свет

В предыдущих главах мы увидели, насколько искажены наши представления об окружающем мире. Мы узнали об инфракрасном и ультрафиолетовом излучениях, которые находятся по краям видимого спектра. Инфракрасный свет невидим для глаза потому, что он слишком красный, а ультрафиолетовый – потому что он слишком синий. Но что случится, если вы продолжите «сгущать краски», сделаете инфракрасное излучение еще краснее? Возьмите световые волны (длиной около 550 нм, примерно в сто раз меньше толщины человеческого волоса) и растяните их в сотни тысяч раз. Вы получите микроволны, которые помогут готовить еду и доставлять ваши звонки с мобильных телефонов друзьям, а от них – вам. Растяните их еще больше, и вы получите радиоволны, которые приносят в ваш дом звуки радио и изображение на телеэкранах. Возьмите ультрафиолетовое излучение и сделайте его еще голубее. Зажмите получившиеся волны в воображаемые микроскопические тиски. Сожмите их до одной тысячной их длины, и получите рентгеновские лучи. Продолжайте сжимать – и выйдут гамма-лучи, самое энергонасыщенное рентгеновское излучение[148].

Вы можете обоснованно заключить, что все эти названия – свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, микроволны, радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-излучение – означают разные явления. Но явление одно и то же, разница только в размерах волн. Гамма-излучение отличается от рентгеновских лучей и микроволн так же, как красный свет от зеленого: длиной волн и количеством энергии, которое они переносят. Всё это вместе составляет то, что в науке называется электромагнитным спектром , где свет (видимый) занимает место как раз в центре.

Названия различных частей этого спектра складывались исторически и зачастую случайно. Но все они представляют собой принципиально одно и то же. Ученые определяют всё это как свет – хоть мы и не всегда его видим. Это энергия, которая распространяется с постоянной скоростью с помощью волн, которые бывают как гигантскими (длина некоторых радиоволн достигает сотен метров), так и микроскопическими (как гамма-лучи, длина которых в тысячи раз меньше диаметра атома). Если бы наши глаза были способны видеть рентгеновские лучи, то мы могли бы различать темный силуэт бомбы в чемодане или видеть трещины в своих костях (конечно, сначала нам нужно было бы сделать себе рентген, но это уже детали). Если бы мы видели микроволны или радиоволны, а в мозге было бы устройство для их расшифровки, то мы могли бы смотреть телешоу или слушать радиошоу без телевизоров и радиоприемников, прямо в голове.