Брайан Клегг - Вселенная внутри вас

Если вы никогда внимательно не смотрели на ночное небо, то, вероятно, не замечали, что некоторые звезды (и, по крайней мере, одна планета) отличаются по цвету. В следующий раз, когда небо будет ясным, найдите пару минут, чтобы внимательно рассмотреть звезды. Через некоторое время ваши глаза станут более чувствительными и вы заметите, что некоторые звезды имеют красноватый оттенок, а некоторые – голубой. Если вы увидите очень яркую звезду выраженного красного цвета, то это, скорее всего, не звезда, а планета Марс.

Альнилам – самая удаленная от нас звезда Ориона, поэтому мы не замечаем, что это чрезвычайно яркий голубой гигант. Альнилам очень молод по звездным меркам. Его возраст всего около четырех миллионов лет (для сравнения: нашему Солнцу уже 4,5 миллиарда лет). Он расположен в 1340 световых годах от Земли.

Взгляд в прошлое

Как уже было сказано, световой год – это дистанция, которую свет проходит за год. С учетом того, что скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, это очень большое расстояние. Альнилам находится от нас примерно в 12 686 155 200 000 000 километрах. Сравните это с максимальным расстоянием, на которое человек отдалялся от Земли в ходе полета на Луну (каких-то 385 тысяч километров), и поймете, что на Альнилам мы полетим еще очень не скоро. Однако вы можете просто открыть глаза и без всяких вспомогательных средств увидеть объект, удаленный от вас на 12 686 155 200 000 000 километров. Ваши глаза – поистине чудесный инструмент исследований.

При взгляде на созвездие Ориона на ум приходит еще одно необычное обстоятельство. Поскольку свету требуется время, чтобы добраться до нас, мы видим звезды такими, какими они были, когда испускали этот свет, а не такими, какие они сейчас. Поскольку главные звезды Ориона находятся на разном расстоянии от нас, мы наблюдаем их в разное время прошлого. Альнилам, например, мы видим таким, каким он был 1340 лет назад, то есть в VII веке. Подумать только, как многое изменилось на Земле, пока до нас шел свет от Альнилама!

Волна или частица?

Давайте проследим за светом Альнилама со времени его зарождения до того момента, когда его обнаружил наш глаз. Свет состоит из крошечных нематериальных частиц энергии, называемых фотонами. Вероятно, в школе вам рассказывали, что свет имеет волновую природу. Его удобно рассматривать в виде волны, потому что фотоны в ряде случаев ведут себя так, словно действительно являются частью волны. И все же луч света от Альнилама – это поток фотонов.

Когда мы говорим о длине волны или частоте света, то имеем в виду только уровень энергии фотонов. Данная характеристика воспринимается глазом как цвет и говорит о том, к какой части электромагнитного спектра принадлежат фотоны. Этот спектр простирается от радиоволн, микроволн и видимого света до излучений высоких энергий типа рентгеновских и гамма-лучей.

Причина, по которой фотоны ведут себя как волны, заключается в том, что им присуща такая характеристика, как фаза, которая циклически меняется. Представьте себе, что к каждому фотону прикреплены крошечные часы, стрелка которых очень быстро совершает оборот на 360 градусов. В любой данный момент времени эта стрелка (фаза) указывает в определенном направлении, которое соответствует положению фотона на воображаемой волне.

Из сердца звезды

Фотоны, которые достигают ваших глаз, промчавшись сквозь пространство космоса, зарождаются в сердце звезды в процессе реакции термоядерного синтеза. В такой звезде, как Солнце, ядра двух атомов водорода сливаются и образуют ядро следующего по тяжести элемента – гелия. При этом теряется небольшая часть массы, которая превращается в энергию в соответствии с самой знаменитой физической формулой Е = mc².

Приведенная формула демонстрирует нам, насколько велика эта энергия. Символ «с» в этом уравнении, возведенный в квадрат, соответствует скорости света. Таким образом, из крошечной массы мы получаем огромное количество энергии, которая излучается в виде фотонов (и других частиц) в центре звезды. Практически мгновенно фотоны сталкиваются с другими частицами и поглощаются ими, в результате чего излучаются другие фотоны. Этот процесс повторяется вновь и вновь по мере того, как свет постепенно пробивается к поверхности звезды. Могут пройти миллионы лет, прежде чем фотон в конце концов покинет Солнце.

В Альниламе этот процесс выглядит немного иначе, поскольку протекает с такой интенсивностью, что весь водород там, вероятно, уже выгорел, и звезда производит другие элементы, но конечный эффект остается тем же. После серии реакций в глубинах звезды, в ходе которых фотоны непрерывно излучаются и поглощаются, один из фотонов в конце концов достигает поверхности и покидает ее. После миллиардов столкновений его энергия в этот момент намного ниже, чем изначальная. Если в момент зарождения энергия фотона была в диапазоне гамма-лучей, то теперь она снижается до видимого спектра света. Именно в таком виде он и улетает в пространство.

Звездный путь длиной в 1340 лет

Как только фотон покидает поверхность звезды, его уже ничто не может остановить, если только он не будет чем-то уничтожен. Свет должен двигаться с определенной скоростью, в противном случае он просто не может существовать. Итак, он летит в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Подавляющее большинство фотонов, излучаемых звездой Альнилам, никогда не достигнет Земли. Однако очень незначительная часть, включая и фотон, за которым мы пристально следим, движется строго в нашем направлении.

На протяжении 1340 лет этот фотон пересекал пространство и вот, наконец, вошел в атмосферу Земли. Если ему повезет, его не поглотит ни одна из молекул воздуха. А такая печальная судьба грозит многим фотонам. Именно поэтому космический телескоп «Хаббл», установленный на спутнике, может делать куда более качественные фотографии, чем наземные телескопы. Воздух в земной атмосфере поглощает некоторую часть света. Хотя молекула воздуха в конечном счете все равно испустит поглощенный фотон, она необязательно направит его в том же направлении. Поэтому свет в воздухе рассеивается, а те фотоны, которые продолжают движение в нашем направлении, немного сбиваются с пути, из-за чего возникает впечатление, будто звезда слегка колеблется и мерцает.

Наконец фотон достигает вашего глаза. Возможно, это тот же самый фотон, который покинул Альнилам 1340 лет назад. Все это время он летел в космосе только для того, чтобы исчезнуть, попав в ваш глаз. Если вы носите очки, он прекратит свое существование чуть раньше. Когда фотон проходит через такое вещество, как стекло, он может неоднократно поглощаться и излучаться повторно. Но даже если вы не носите очков, то это будет уже не тот же самый фотон, так как процесс поглощения и повторного излучения будет совершаться уже в вашем глазу. И все же процесс будет запущен именно тем фотоном, который 1340 лет летел до вас от Альнилама.

Искажающая линза

В конце концов фотон попадает на сетчатку, находящуюся на задней стенке глаза. Вместе с многими другими фотонами он будет сфокусирован на маленьком пространстве сетчатки с помощью линзы, которая находится в глазу. Как и во всех оптических устройствах, работа этой линзы основана на отклонении луча света при переходе из одной среды в другую. Это явление называется преломлением света.

Наполните прозрачный стакан водой на две трети (лучше, если у стакана будут вертикальные стенки) и поместите туда карандаш так, чтобы он стоял в стакане под наклоном. Посмотрите на то место, где он входит в воду. Создается впечатление, что в этой точке карандаш слегка изогнут и в месте входа в воду его положение становится почти вертикальным. Искажение не слишком велико, но вполне заметно. Это результат преломления света при переходе из воздуха в воду. То же самое происходит при его переходе из воздуха в стекло, например в линзу.

Традиционно этот феномен объясняют тем, что свет замедляется, переходя в более плотную среду, например в стекло линзы (или, в данном случае, в воду). Согласно закону сохранения энергии, при этом переходе возрастает частота, то есть волны следуют друг за другом чаще. Если вы представите себе широкий пучок света, попадающий на стекло под углом, то часть пучка, проникающая в стекло, должна увеличить частоту, а та часть, что еще находится в воздухе, сохранит прежнюю частоту. За счет этого происходит искривление волн.

Квантовая теория подходит к проблеме света и материи совершенно иначе. В соответствии с ней фотон может избрать любой из возможных путей, но с разной вероятностью. При прохождении по избранному пути он сохраняет уже упомянутое нами свойство изменения фазы с течением времени. Поскольку пути у каждого фотона разные, то и фаза при входе в стекло у каждого из них будет разной.