Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Вопреки нашим наивным предположениям, свет, который воспринимают наши глаза, составляет менее половины всего излучения, которое Земля получает от Солнца. Без научных приборов, регистрирующих то, что невидимо для глаз, наши знания о физической реальности были бы крайне ограниченны. Но, даже располагая необходимыми инструментами, мы должны помнить, что их возможности имеют границы, и обзор с нашего Острова знаний обладает своим горизонтом. Чем больше мы видим, тем к большему стремимся.

Видимый свет составляет всего 40 % от всего солнечного излучения, попадающего в верхние слои нашей атмосферы. Оставшаяся часть – это 50 % инфракрасного и 10 % ультрафиолетового излучения. Благодаря защите атмосферы лишь 3 % ультрафиолетовых лучей достигают поверхности планеты, а объем видимого света увеличивается до 44 %. В случае с Солнцем (как и во многих других случаях) то, что мы видим, и то, что мы получаем, – это совсем не одно и то же. Наши органы чувств были сформированы естественным отбором так, чтобы повысить наши шансы на выживание на этой планете. Жители других планет с другим атмосферным составом и большим или меньшим количеством звездного света могли бы развить у себя чувствительность к другим частям электромагнитного спектра. Даже на Земле ночные животные, пещерные и глубоководные существа имеют разные механизмы адаптации (вспомните, например, об эхолокации у летучих мышей и о свечении глубоководных рыб).

Все приведенные выше объяснения стали возможными в результате триумфа физики XIX века – описания света как вибрации электромагнитных полей. Каждый источник электромагнитного излучения можно свести к осциллирующим, или ускоряющимся, электрическим зарядам. В 1861–1862 годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, работавший в лондонском Кингс-колледже (моей альма-матер), доказал существование связи между электричеством и магнетизмом, что позволило ему совершенно по-новому описать взаимодействие материальных объектов. До этого подобные описания строились на понятии сил – например, силы притяжения Ньютона или силы, которую мы прилагаем к педалям велосипеда, когда едем в гору. Вдохновленный идеями Майкла Фарадея, Максвелл предложил свою знаменитую теорию электромагнитного поля. С тех пор именно она применяется в физике для объяснения взаимодействия самых разных объектов, от электронов до звезд. Сила – это производная поля.

Данная концепция стала настолько всеобъемлющей, что применяется уже не только к взаимодействиям между объектами. Мы можем говорить о температурном поле в помещении (то есть о том, как температура меняется от точки к точке) и о поле скорости воды в реке или ветра в атмосфере. Электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, представляющее собой его пространственное проявление. Другой заряд, приближающийся к первому, сможет почувствовать его присутствие на расстоянии, причем чем ближе будет первый заряд, тем выше окажется значение поля. Одинаковые заряды притягиваются, а противоположные отталкиваются. То же самое происходит и с магнитами. Вы можете провести быстрый эксперимент: снимите два магнита с холодильника и попытайтесь соединить их. В какой-то момент они начнут сопротивляться вашим действиям. Судя по всему, пространство вокруг магнитов наполнено чем-то, что заставляет их отталкиваться друг от друга. Это что-то называется магнитным полем. Точно так же и масса вашего тела создает вокруг вас гравитационное поле. Другие массы чувствуют его присутствие и притягиваются к нему с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния до вас.

При колебании электрического заряда поле колеблется вместе с ним. Чтобы понять, как это происходит, представьте себе пробку, болтающуюся на поверхности воды. По воде от нее расходятся двухмерные круги. Колеблющийся заряд точно так же испускает электрические волны, но в трех измерениях. По мере колебания его скорости также возникает магнитное поле, которое начинает колебаться вместе с электрическим. Одно поле цепляется за другое, и оба они постепенно удаляются от заряда. Отличие от кругов на воде только в том, что эти поля направлены перпендикулярно друг другу, как концы креста. Если заряд колеблется вверх и вниз, магнитное поле будет двигаться вправо и влево и волны будут перемещаться в направлении, перпендикулярном кресту (мы говорим об электромагнитных волнах, что они поперечны).[110]

Итак, движущийся заряд создает колеблющиеся электрические и магнитные поля, которые расходятся в пространстве. Максвелл показал, что в вакууме скорость такого их распространения равняется скорости света. Это подтолкнуло его к потрясающему выводу: свет представляет собой электромагнитное излучение, электрические и магнитные поля, распространяющиеся в форме волн. Единственное различие между, например, красным и фиолетовым цветом состоит в том, что длина волны у первого больше, чем у второго. Между короткими и длинными волнами в электромагнитном спектре находятся и другие типы излучения: радиоволны, микроволны, инфракрасные волны, видимое излучение, ультрафиолетовые волны, рентгеновские и гамма-лучи (самые короткие и обладающие наибольшей энергией).

Если свет (как уже упоминалось ранее, этим словом я обозначаю все виды электромагнитного излучения) – это волна, то в чем он распространяется? Другие, более привычные нам волны представляют собой колебания среды: волны могут возникать на поверхности воды, звуковые волны – это изменения давления воздуха, а если взять веревку за один конец и хорошенько встряхнуть, по ней тоже пойдут волнообразные движения. Так в чем же появляются волны света? Это одна из множества связанных с ним загадок. Сегодня мы знаем, что свету не нужна материальная среда для распространения. Он может двигаться в вакууме, и для этого ему нужно всего лишь содействие электрических и магнитных полей. Разумеется, свет может проходить и через материальную среду. Каждый из нас хотя бы раз открывал глаза под водой или смотрел через стекло. В результате движения в среде свет теряет часть своей скорости, так как световые волны заставляют электрические заряды, из которых состоит материальная среда, колебаться вместе с ними.

Для физика XIX века было очевидно, что свет отличается от других волн, так как для движения ему не требуется обычная среда. Тем не менее, по мнению Максвелла, что-то должно было выступать в ее роли. Он потратил много лет на создание все более и более странных механических моделей для объяснения распространения электромагнитных волн в пространстве. Например, он пытался ввести понятие новой среды, люминофорного эфира, предназначенной исключительно для переноса световых волн. За два века до этого Ньютон и голландский ученый Христиан Гюйгенс независимо друг от друга взялись за изучение природы света и пришли к противоположным выводам. Ньютон, преданный последователь атомизма, предположил, что свет состоит из крошечных корпускул, но не смог доказать, что все свойства света соответствуют этому утверждению. С пропусканием и отражением света (в форме прямых лучей) проблем не возникало. Гораздо сложнее было объяснить явления рефракции (изменения в направлении распространения луча при прохождении через разные среды) и дифракции (распределения волн при прохождении через узкую преграду). Гюйгенс, в свою очередь, считал, что свет – это волна, которая движется в среде, подобной эфиру.