Миллиарды и миллиарды. Размышления о жизни и смерти на рубеже тысячелетий

В то же время свет ведет себя еще и как поток крохотных «летящих пуль» – фотонов. На этом основан принцип действия обычного фотоэлемента (например, в фотоаппарате или в калькуляторе со световой подзарядкой). Каждый попадающий на него фотон выбивает из светочувствительной поверхности электрон. Множество фотонов создают поток электронов, или электрический ток. Но как свет может быть одновременно и волной, и частицей? Чтобы не ломать голову, лучше представить его себе как нечто третье, не волну и не поток частиц в чистом виде, – нечто, не имеющее прямых аналогий в обыденном мире, а лишь ведущее себя в одних условиях как волна, а в других – как частица. Корпускулярно-волновой дуализм – очередная порция лекарства от человеческой гордыни. Природа не обязана соответствовать нашим ожиданиям и предпочтениям и быть понятной для нашего ограниченного ума.

Что касается практического применения, свет аналогичен звуку. Световые волны являются трехмерными, имеют частоту, длину волны и скорость распространения (скорость света). Единственное – но потрясающее – отличие состоит в том, что для распространения им не нужна среда, например вода или воздух. Свет Солнца и далеких звезд доходит до нас, хотя пространство между нами является почти идеальным вакуумом. В открытом космосе астронавты не могут переговариваться, кроме как по радио, даже находясь в нескольких сантиметрах друг от друга. Отсутствует воздух, в котором мог бы распространяться звук. Но видят они друг друга прекрасно. Сблизившись настолько, чтобы их шлемы соприкасались, они смогут и слышать друг друга. Если из вашей комнаты внезапно исчезнет воздух, вы не услышите, как сосед по комнате жалуется на это обстоятельство, хотя какое-то мгновение сможете наблюдать, как он жестикулирует и разевает рот.

Обычный видимый свет – воспринимаемый нашим зрением – имеет очень высокую частоту: около 600 трлн (6 × 10¹⁴) волн попадает на нашу сетчатку каждую секунду. Поскольку скорость света равна 30 млрд (3 × 10¹⁰) сантиметров в секунду, длина волны видимого света составляет 30 млрд, деленные на 600 трлн, или 0,00005 (3 × 10¹⁰ / 6 × 10¹⁴) = 0,5 × 10^–4 см. Это слишком мало, чтобы разглядеть, даже если бы нашелся способ подсветить чем-то эти волны и получить их изображение.

Если звуки определенных частот воспринимаются нами как разные музыкальные тона, то свет определенных частот мы интерпретируем как разные цвета. Частота красного цвета около 460 трлн (4,6 × 10¹²) волн в секунду, фиолетового – около 710 трлн (7,1 × 10¹²). Между ними располагаются все остальные цвета радуги. Каждому свету соответствует своя частота.

По аналогии с парадоксом о смысле музыкального тона для глухого от рождения человека можно задаться столь же хитрым вопросом: что есть цвет для человека, рожденного слепым? И в этом случае ответом будет уникальная, со всей достоверностью определяемая частота световой волны, которую можно измерить и зафиксировать точно так же, как фиксируется музыкальный тон. При должной подготовке и знании физики слепой от рождения человек отличит розовый от малинового и кроваво-красного. При наличии хорошего спектрометра он сможет различать оттенки гораздо точнее, чем нетренированный человеческий глаз. Частоту 460 трлн герц зрячие люди интерпретируют как «красное». Но этой частотой (460 ТГц) и привычной интерпретацией все и исчерпывается. Здесь ничего больше нет, никакого чуда, каким бы красивым нам ни казалось это зрелище.

Подобно звукам, слишком высоким или низким для человеческого уха, есть частоты световых волн, или «цвета», выходящие за пределы нашего зрительного восприятия. Это диапазоны гораздо более высоких частот (порядка миллиарда миллиардов[8] – 10¹⁸ – волн в секунду у гамма-излучения) и гораздо более низких (менее одной волны в секунду у длинных радиоволн). Двигаясь по спектру световых волн от высоких частот к низким, мы встречаем широкие полосы с собственными названиями: гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны. Все эти волны распространяются в вакууме. Все являются такими же «полноценными» световыми волнами, что и обычный видимый свет.

Различные частотные диапазоны дают собственную картину астрономических явлений. Небо выглядит в разных лучах по-разному. Например, яркие звезды в гамма-диапазоне невидимы. Наоборот, фантастические гамма-барстеры, обнаруженные орбитальными обсерваториями, исследующими космос в гамма-диапазоне, практически незаметны в обычном видимом свете. Если бы мы до сих пор – как большую часть своего существования – наблюдали Вселенную только в видимом спектре, то не знали бы, что в ней есть источники гамма-излучения. Это относится и к источникам рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного и радиоизлучения, а также экзотических нейтрино и космических лучей и, возможно, гравитационных волн[9].