Как-то в октябре, прогуливаясь по лесу, я увидел бабочку — павлиний глаз. Ее легко узнать — по четырем ярко выраженным «глазкам» на крыльях, которые здорово напоминают яркий узор перьев той самой птицы, по имени которой бабочка и названа. Выискав в тенистом лесу пятно неяркого осеннего солнца — на стволе бука, — бабочка села и раскрыла крылья, вбирая скудное тепло. Наверное, ей было слишком холодно, потому что когда я шагнул ближе, чтобы рассмотреть ее узор, она даже не шелохнулась.
Голубые пятна «глазков» заметно выделялись на ярко-оранжевом и песочно-желтом фоне крыльев. К тому же, они были радужными — переливались в зависимости от того, под каким углом на них смотреть. Так меняются оттенки на сгибах свернутого шелкового шарфика. В окружении довольно блеклых цветов фоновой окраски голубые «глазки» выглядели объемными.
В 1634 году Теодор Майерн, личный врач Карла I, написал о том, что «глазки» павлиньего глаза «сияют великолепно, как звезды, и переливаются, подобно радуге». И хотя мы замечаем в основном их красоту, «глазки» эти созданы не для того, чтобы привлекать, а чтобы предостерегать. Голубые пятна создают оптический эффект, защищающий бабочку от хищников. Если сложенные крылья бабочки, нижняя сторона которых напоминает по цвету древесную кору, не прячут ее от пробегающей мимо лесной мыши, она их резко распахивает, пугая мышь. Грызуну «глазки» на крыльях кажутся глазами свирепой совы, которая не прочь утолить свой голод.
Крылья павлиньего глаза, как, впрочем, и остальных бабочек, покрыты мельчайшими — каждая около 0,2 мм длиной и 0,075 мм шириной — чешуйками. Именно чешуйки отвечают за окраску крыльев. Они могут быть оранжевыми и желтыми, черными и белыми — в зависимости от пигмента. Пигмент — химическое вещество, отражающее определенный оттенок света, а остальные поглощающее. Однако синие пятна «глазков» переливаются вовсе не благодаря пигментам, хотя пигмент в составе этих чешуек есть — меланин скучного бурого цвета. Все дело в покрывающем чешуйки прозрачном веществе — хитине.
Как же переливчатый синий цвет может исходить от бурых чешуек, к тому же покрытых слоем прозрачного вещества? За синий цвет отвечают особые геометрические образования — гироиды. Прозрачные поверхности, состоящие из невообразимо тонких слоев, отделяемых крохотными промежутками, имеют особое строение. Каждый слой отражает определенное количество падающего на него света. Великолепное синее сияние — результат того, как свет, отражаясь от разных слоев, сливается в цвет. А происходит это благодаря явлению интерференции.
* * *
В результате интерференции волны одного типа сталкиваются; причем происходит это не только со световыми волнами, но и с любыми другими. Вообще-то, слово «сталкиваются» не слишком удачное — скорее, волны проходят друг через друга и сливаются, накладываясь. Как-то мне довелось увидеть отличный пример интерференции — в надувном бассейне моей дочки. Однако источником волн была не красивая бабочка, а пара несчастных мотыльков-однодневок.
Уж не знаю, как, но ночью они угодили в воду бассейна. Их палевые в крапинку крылышки прилипли к воде, пригвожденные силой поверхностного натяжения. Пытаясь взлететь, мотыльки не переставали дергаться, и от них по воде шла рябь. Эффект накладывающейся ряби до того завораживал, что я разрывался между стремлением спасти мотыльков и желанием понаблюдать за ними.
Глядя на одинаковые длины волн круговой ряби, я понял, что мотыльки пытаются махать крыльями с одинаковой частотой. В какой-то момент мотыльки оказались совсем близко друг к другу: волны ряби, сочетаясь, образовали явление довольно эффектное — интерференцию. Расходясь от попавших в западню насекомых, волны образовывали определенный рисунок из линий, расходящихся лучами. Линии расходились в промежутках между волнами, а вдоль промежутков две группы волн либо складывались, образуя особенно крупную рябь, либо нейтрализовали друг друга. Вода выглядела так, как показано на рисунке на следующей странице.
Линии относительно спокойной воды проходят там, где гребни волн от одного мотылька совпадают с подошвами волн от другого мотылька. Таким образом, не совпадая по фазе, волны друг друга нейтрализуют, то есть происходит интерференция с ослаблением. Между ними проходят линии гораздо интенсивнее волнующейся водной поверхности — там, где рябь совпадает по фазе, то есть гребни волн от одного мотылька встречаются с гребнями волн от другого мотылька, равно как и подошвы. В данном случае, поскольку волны складываются, имеет место интерференция с усилением. Только в том случае, когда два источника порождают волны одинаковой высоты и с одинаковой частотой, совпадающие по фазе, результатом становится такая вот интерференция по определенной схеме. Думаю, если бы мотыльки взмахивали крыльями с разной скоростью, рисунок на воде был бы совсем другим.
По-своему красивое явление интерференции волн, исходящих от несчастных мотыльков, у которых не хватает сил вырваться из плена воды в резиновом бассейне моей маленькой дочери
Я вдруг заметил у ближайшего края прямоугольного бассейна перемежающиеся области с большим и меньшим волнением — это достигли бортика линии интерференции с усилением и ослаблением. Наконец, я почувствовал, что наблюдения за волнами принимают уже садистский характер, и решил положить этому конец. Зачерпнув воду с мотыльками, я положил их на деревянный пол террасы, чтобы они обсохли. И потом порхали еще день (или ночь).
Находясь на борту самолета, можно увидеть характерный рисунок интерференции волн в гораздо более крупных масштабах. Если посмотреть в иллюминатор на простирающийся внизу океан, иногда можно заметить, как равномерно расходящиеся линии зыби, идущие в одном направлении, накладываются на линии зыби, идущие в другую сторону. Линии сливаются, образуя своего рода сетку из наложенных и нейтрализованных гребней и подошв. По правде говоря, все волны одного типа, проходя друг через друга, интерферируют подобным образом, если, конечно, это не ударные волны, для которых закон не писан.
* * *
Поскольку явление интерференции лежит в самой основе поведения волн, неудивительно, что его демонстрируют и волны световые. Однако для того, чтобы раскрыть механизм образования переливчатого цвета на крыльях павлиньего глаза, придется копнуть глубже.
Электромагнитные волны видимого нам спектра варьируются от примерно 400-450 нанометров (нм) (для нас это темно-синий и голубой) до примерно 700-750 нм (мы видим это как красный). Границы каждого спектра невозможно определить четко — нельзя сказать, где заканчивается один цвет и начинается другой, все зависит от окружающих условий и особенностей зрения воспринимающего. Например, гремучники Центральной Америки наловчились различать более длинные инфракрасные волны, исходящие от их жертв в виде тепла, а пчелы различают более короткие ультрафиолетовые волны, отражаемые некоторыми цветками. Однако для нас, людей, и инфракрасные, и ультрафиолетовые волны невидимы.
Тот факт, что длина световой волны определяет ее цвет, является главным для понимания того, почему крылья павлиньего глаза переливаются всеми цветами радуги.
Не обладающие пигментом гироиды образуют цвета в результате интерференции; синий же цвет объясняется тем, что световые волны длиной в 400 нм выглядят синими.
Чтобы вникнуть в принцип действия гироидов, отвечающих за разнообразие цветов, обратимся к еще одному виду бабочек — у этого вида окраска так ослепительна, что насекомое стало объектом пристального научного изучения. Называется она морфо; ее обнаружили под густым пологом джунглей Латинской Америки. У некоторых особей этого отряда чешуекрылых вся поверхность крыльев окрашена в синий цвет с металлическим отливом; сами крылья достигают 20 см в размахе. Когда бабочка взмахивает крыльями (даже не крыльями, а крылами — так они велики), вспышки синего делают ее заметной на расстоянии 400 метров. Ее легко увидеть над кронами деревьев, если смотреть с низко летящего самолета.
Гироиды на поверхности чешуек крыла морфо — и не только этой, а и других бабочек с разноцветными крыльями — образуют переливающиеся цвета в результате отражения солнечного света от тончайших, многочисленных слоев прозрачного хитина. В обычный микроскоп пластинки не увидеть. Поэтому чтобы разгадать тайну завораживающих переливов бабочки, придется сфотографировать чешуйки с помощью электронного микроскопа. По фотографии можно будет сказать, что разрывы между слоями расположены на одинаковом расстоянии и невероятно малы — около 200 нм, что составляет примерно половину длины волны синего цвета.
Рассмотрим бабочку морфо. Края прозрачных слоев хитина идут вдоль всей длины переливчатых чешуек крыла, каждая из которых меньше точки. Сами края зазубрены. В электронный микроскоп видно, что срез поверхности чешуйки крыла напоминает по виду составленные в ряд новогодние ели.
Но даже вырасти эти новогодние ели в человеческий рост, вы все равно не смогли бы поставить такое деревце у себя дома, потому что они больше похожи на прозрачный пластилин, которому специальной формочкой придали вид ели.
На сделанном с помощью электронного микроскопа снимке виден срез особых геометрических образований на поверхности чешуек крыла бабочки Morpho rhetenor из подсемейства морфиды, своей затейливой структурой напоминающий торговую площадку садового центра в преддверии Нового года
«Ветками» служат небольшие зазубрины вдоль «стволов» — это и есть слои, играющие исключительно важную роль. Расстояние между отдельными «ветками»-зазубринами выдерживается с удивительной точностью — в 200 нм.
Световые волны, отражаясь от верхних и нижних поверхностей этих слоев хитина, в момент наложения друг на друга интерферируют. Солнечный свет, отражаясь от верхней части слоя, интерферирует со светом, который прошел через прозрачный материал и отразился от нижней части слоя. То, как обе отраженные части света интерферируют, зависит от разницы в расстоянии, которое преодолевает каждая часть, от изменения скорости распространения при прохождении через хитин и от длины световой волны. Взаимное сочетание всех этих характеристик определяет, совпадают две наложившиеся друг на друга световые волны по фазе (совпадают ли их гребни и подошвы, усиливая друг друга) или нет (гребни совпадают с подошвами, и волны друг друга нейтрализуют). В зависимости от этого волны интерферируют либо с усилением — и в таком случае цвет становится ярче, либо с ослаблением — цвет тускнеет.
У волн синего спектра отражения от верхней и нижней частей слоя совпадают по фазе — цвет усиливается. У более длинных волн красного спектра отражения по фазе не совпадают — цвет тускнеет
Точно выдерживаемая толщина «веток» «новогодних елей» и расстояние между их «ветками» гарантирует, что из всего волнового спектра солнечного света только волны с длиной около 400 нм, то есть синий спектр, интерферируют с усилением и, следовательно, выглядят ярче. Благодаря тому что отражения волн синего спектра совпадают по фазе друг с другом, они усиливаются, отражаясь от «веток новогодних елей»; волны других спектров по фазе не совпадают и интерферируют с ослаблением, нейтрализуя друг друга и тускнея. Слои, расположенные один за другим, распространяют отражения волн с определенной длиной, а бурый пигмент меланина в основании «новогодних елей» поглощает остальные, не отразившиеся волны света, препятствуя их смешению с чистым синим спектром. Получается, интерференция выступает в роли волшебного разделителя, выхватывая из сплетения волн различной длины (которое мы видим как солнечный свет) только синий спектр, блестящий так, что аж глаза режет.
Но рассматривая бабочку из подсемейства морфид, упрятанную под стекло, вы ничего не поймете. Ее красота видна только тогда, когда насекомое раскрывает и закрывает крылья, окраска которых при этом меняется. Если у вас за домом не растет тропический лес, отправляйтесь в зоопарк и найдите вольер с бабочками. Вот тогда вы на собственном опыте убедитесь: по мере того как бабочка складывает крылья, они из полыхающих синим цвета электрик медленно превращаются в радующие глубоким синим оттенком. Если смотреть на крылья не прямо, в упор, можно заметить, как оттенки меняются. Этот эффект переливающейся радуги, при котором оттенок цвета кажется глубже, можно увидеть только у живой бабочки, пока она двигается.
Едва заметные изменения оттенков цвета обусловлены все тем же явлением интерференции. Когда свет падает на слои хитина под непрямым углом, разница между тем, как свет отражается от верхней и нижней частей, не так велика, как разница при свете, падающем перпендикулярно. То есть чуть более короткие волны света интерферируют с усилением. Поэтому когда вы смотрите на крылья сбоку, они приобретают более глубокий синий цвет — становится видимой та часть света, волна которой короче, чем волна цвета электрик.
Если рассматривать нашу бабочку с близкого расстояния, станет заметной еще одна ее особенность: кажется, что яркая окраска при раскрытии крыльев вспыхивает, при закрытии — гаснет. Глядя на крылья под углом скольжения, практически сбоку, вы увидите, что синий цвет совсем исчезнет.
Цвет крыльев бабочки меняется в зависимости от того, под каким углом на них смотрят, потому как в зависимости от угла интерферируют с усилением волны разных спектров. Я пытался упростить схему, но не уверен, что мне это удалось
По мере увеличения угла зрения интерферируют с усилением более короткие волны спектра глубокого синего, а вот волны, которые интерферировали бы с усилением при действительно малом угле, слишком коротки, чтобы мы их видели. Они больше не принадлежат той части спектра, что для нас видима. Когда вы смотрите на крыло под углом, вам кажется, будто цвет гаснет. Объясняется это тем, что под таким углом интерферируют с усилением и «вспыхивают» невидимые ультрафиолетовые волны (с длиной волны менее 400 нм). В полете синяя окраска на крыльях бабочки то появляется, то исчезает. Такие вспышки цвета дают эволюционное преимущество — они предостерегают хищных птиц, как превышающего скорость автомобилиста, заметившего сигналы в зеркале заднего обзора.
* * *
Переливчатые, сложные по составу цвета присущи не только бабочкам. К примеру, надкрылья жуков тоже представляют собой богатую палитру оттенков цвета металлик. У примечательного жука златки (Chrysochroa fulgidissima) надкрылья окрашены не только с лицевой стороны, но и с изнаночной. Если смотреть на жука под разными углами, его окраска будет меняться с желтовато-зеленой до темно-синей сверху и с зеленой до рыжевато-бурой снизу. Но переливчатая окраска свойственна и менее экзотическим видам. Крошечный, всего 6 мм длиной, листоед мятный (Chrysolina menthastri) может похвастать насыщенным зеленым окрасом с медным оттенком. Правда, он оставит ваши грядки без мяты. Но ведь красавчик, а?
Переливчатая окраска жуков обусловлена не особым строением их хитинового панциря на микроскопическом уровне, а все той же интерференцией световых волн. За сложные цветовые сочетания отвечает прозрачный хитин, покрывающий надкрылья тонкими, всего около сотни нанометров, слоями. Изумрудно-зеленые и медные оттенки напоминают переливы бензинового пятна или мыльного пузыря, образующиеся благодаря интерференции световых волн, отражающихся от верхней и нижней поверхностей бесконечно тонких слоев.
А ведь есть еще птицы. Радужные переливы любого пера — результат волновой природы света. Пожалуй, самым впечатляющим примером служит яркое — синих, зеленых, красных и золотистых оттенков — оперение райской птицы. Интенсивность окраски хвостовых перьев самцов играет важнейшую роль во время брачных танцев, привлекая самок. Прекрасны цветовые переходы на шейках некоторых видов колибри. В основном преобладают зеленые и синие тона, однако некоторые щеголяют переливчатыми тонами красного, желтого и медно-рыжего. Яркая бирюзовая вспышка на оперении зимородка также объясняется не пигментацией, а явлением интерференции, как, впрочем, и сине-зеленые оттенки вокруг шеи самца обыкновенного фазана. Да, и не будем забывать нашего павлина.
Структуры, ответственные за интерференцию световых волн, дающую великолепную цветовую окраску, у каждого вида птиц разнятся. У павлина это центральный стержень, от которого отходят многочисленные бородки, а от бородок — бородочки. Если рассматривать бородочки под электронным микроскопом, обнаружится, что они содержат фотонные кристаллы, состоящие из объемных решеток с гранулами меланина, разделенных промежутками, сравнимыми с длиной световой волны.,
Для всех этих и многих других созданий такое сложное строение покровов, благодаря которому образуется переливчатая окраска, явилось ступенькой вверх по эволюционной лестнице, облегчив, к примеру, взаимодействие — как с друзьями, так и с врагами. Однако еще один пример замечательной переливчатой окраски — перламутровые слои внутренней поверхности устричной раковины — кажется побочным эффектом, образовавшимся при создании устрицей надежного убежища. Перламутр состоит из бессчетного количества тончайших пластинок карбоната кальция, скрепленных между собой; он обладает гладкой поверхностью и ударопрочен. Перламутр скрыт от всеобщего обозрения, он не играет никакой роли ни при размножении, ни при общении. Можно подумать, что благополучие устрицы зависит от красивых «обоев» в ее домике-раковине.
Однако если поблизости оказываются люди, никакие переливчатые расцветки животным не помогают. Крылья бабочек из подсемейства морфид пользуются популярностью в качестве украшении на ритуальных масках — по крайней мере, так считают амазонские племена. Перламутр больше ценится человеком в виде инкрустации на деревянном комоде, нежели внутри раковины живого моллюска. В середине XIX века дамы из числа европейской аристократии предпочитали украшать свои бальные наряды надкрыльями жука-древоточца. Яркая окраска могла бы послужить ее владельцам, привлекая особей противоположного пола и отпугивая хищников, однако вместо этого привлекла человеческих существ, из-за чего краски лишь потускнели.
* * *
«Все мы знаем, что есть свет, однако непросто объяснить, что же это такое», — заметил Сэмюэль Джонсон. И он прав: тот факт, что благодаря свету мы видим, сильно затрудняет понимание природы самого света.
Должен вам кое в чем признаться: я тут рассуждал о свете как о форме волны, однако в строгом смысле это не так. Живший в XVII веке Роберт Гук, английский физик, или, как тогда было принято называть, естествоиспытатель, в 1665 году выдвинул теорию света. Примерно четверть века спустя теория получила поддержку в лице его современника, голландца Христиана Гюйгенса, который опубликовал математическое доказательство того, что поведение света по большей части может быть объяснено с позиций волн.
Единственной загвоздкой в теории был вопрос о том, через какую среду волны света распространяются. Для океанических волн это вода, для звуковых — воздух (или любое другое вещество). Но вот что пронизывают волны света? Поскольку непременным условием распространения остальных волн является наличие среды, а свет может распространяться в вакууме, сторонники теории волн должны были предъявить некий люминофорный (иными словами, светоносный) эфир. Однако никто не имел ни малейшего понятия о том, из чего этот эфир может состоять.
Исаак Ньютон в своем труде «Оптика», впервые опубликованном в 1704 году, выдвинул другую концепцию света, предположив, что свет состоит не из волн, а из мельчайших частиц — корпускул. Идея надолго поселилась в умах человечества — «Оптика» оставалась основополагающим трудом, описывающим поведение света, на протяжении всего XVIII века. (Уж в названии такой книги можно было обойтись и без орфографических ошибок.
Проведя хитроумные эксперименты, Ньютон пришел к любопытным выводам о том, что и почему со светом происходит, когда его лучи при прохождении через стеклянный стакан в результате дифракции отклоняются. В своем известном опыте с призмой ученый продемонстрировал, как солнечный луч разделяется на составляющие его радужные цвета спектра. Корпускулярная теория света была центральной темой трактата, хотя вошла в него лишь как один из вопросов в конце пересмотренного издания 1717 года: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами?»
Рассуждая в форме вопросов об оптических явлениях, Ньютон предположил, что свет состоит из мельчайших частиц. Когда солнечный луч проходит через стеклянную призму, он разделяется на разные цвета. Что если каждый цвет соотносится с частицами определенного размера? Самым малым размером ученый наделил частицы фиолетового спектра, а самым большим — красного. И хотя экспериментальным путем он свою теорию не подтвердил, его авторитет в науке был так весом, что ученые в основной своей массе его корпускулярную теорию света приняли. И отказались от нее крайне неохотно — только в начале XIX века, когда стали появляться первые свидетельства в пользу того, что свет — это все-таки волна. В частности, это было наиубедительнейшим образом продемонстрировано на примере одного опыта. Этот важнейший для современной физики опыт поставил не маститый ученый, а любитель, не утруждавший себя возней в лаборатории. В ходе опыта выяснилось, что для света характерно основополагающее свойство волн — интерференция.
* * *
Родившийся в 1773 году Томас Юнг был человеком от природы одаренным, владел несколькими языками. Грамоте научился в два года, а к четырем прочитал от корки до корки Библию, причем дважды. Прошло каких-то тридцать лет, и он начертил оптическую схему, при виде которой екнуло бы сердце любого пролетающего мимо мотылька-однодневки.
Угадайте, кому в подарок на Рождество достался компас?
Юнг познакомил научную общественность со своей схемой во время чтения «Курса лекций по естественной философии и механическому искусству» в Королевском обществе в 1807 году. Оптическая схема объясняла взаимодействие волн, «образовавшихся от двух камешков одинакового размера, брошенных в пруд в одно и то же время». Говорят, Юнга осенило, когда он, прогуливаясь возле пруда кембриджского Эммануэл-Колледжа, увидел расходившиеся от пары лебедей круги ряби, волны которых накладывались. Однако, демонстрируя схему, он имел в виду вовсе не волны в пруду, а поведение света.
Юнг считал, что схема наглядно объясняет поведение не только водной ряби, но и солнечного луча, проходящего через две прорези экрана (отмеченные буквами А и В) и выходящего в виде волн. Свет, имея волновую природу, должен расходиться от каждой прорези на манер волн, проходящих через узкую щель дамбы; такое свойство волны, дифракция, хорошо известно. Юнг предположил: если свет является волной, тогда выходящие из обеих прорезей и накладывающиеся лучи должны интерферировать друг с другом — как и волны в воде. Только в случае со светом вместо участков более или менее спокойной воды должны проявиться участки большей и меньшей освещенности. Область особо заметного волнения в случае со световыми волнами будет областью особенно яркого освещения; область менее заметного волнения будет областью менее освещенной. Именно такое заключение, утверждал Юнг, позволил сделать опыт с экраном. В ходе опыта лучи, наложившись, образовали следующую картину:
В опыте Юнга свет не был таким четким (данный опыт проведен с использованием лазера), однако лучи, проходившие через две прорези, вне всяких сомнений интерферировали, образуя области более светлые и более темные
Юнг считал, что объяснить результаты данного опыта, исходя из ньютоновской корпускулярной теории света, нельзя, в то время как появление светлых и темных участков по краям «может быть с легкостью выведено из интерференции двух встречающихся волн, которые либо усиливаются, либо взаимно уничтожаются». Наверняка его доводы показались вам убедительными, правда? В самом деле, как можно объяснить результаты опыта, основываясь на теории, будто свет состоит из мельчайших частиц? Ведь если к одним частицам прибавить другие частицы, получится еще больше частиц. То есть света.
Однако ньютоновская теория пустила в умах ученых мужей настолько глубокие корни, что к доводам Юнга прислушались лишь по прошествии десятка лет. И пускай на примере воды видно, что волны при ослабляющей интерференции друг друга уничтожают — предположение о том, что свет плюс свет равняется темноте, казалось слишком уж нелогичным. Шотландец Генри Брум, юрист и ярый поборник теории Ньютона, обрушился на Юнга со злобными нападками. На страницах принадлежавшей ему влиятельной газеты «Эдинбург ревю» Брум писал, что не обнаружил в доводах Юнга и «малейших признаков эрудиции, проницательности или изобретательности, которые могли бы хоть как-то оправдать отсутствие всякой мысли».
Скептики замолчали только тогда, когда французский физик Огюстен Френель подтвердил аргументацию Юнга математическими выкладками. В сообщении Французской академии наук, сделанном в 1815 году, Френелю удалось блестяще объяснить интерферирующие края из опыта Юнга с помощью формул, основываясь при этом на волновой теории света. Наконец, общественное мнение начало меняться, и к середине XIX века научные круги пришли к единому мнению: свет определенно является формой волны.
* * *
В декабре 1900 года немецкий физик Макс Планк, сам того не желая, внес в ряды ученых разброд и шатание.
Руководствуясь самыми благими намерениями, он задал вопрос «А что, если…», который явился головной болью для всех тех, кто принял волновую теорию света. В течение пяти лет Планк пытался разработать теоретическую модель того, каким образом свет, испускаемый нитью накаливания электрической лампы, зависит от температуры металла. В его изысканиях были крайне заинтересованы электротехнические компании, постоянно повышавшие качество выпускаемых ламп.
Оказалось, выявить связь между частотами волн света и температурой нити накаливания не так-то просто. Все знают, что железный прут в кузнечном горне по мере нагревания меняет цвет: сначала становится красным, потом — оранжевым, желтым и, наконец, раскаляется добела (и плавится). Тело испускает световые волны разной длины, однако преобладающая частота, наиболее яркий свет, изменяется с температурой. По мере увеличения температуры увеличивается частота наиболее яркого света — металл меняет цвет. Но вот вопрос: как именно преобладающая частота соотносится с температурой? Ни один физик того времени не мог найти этому явлению математического обоснования.
«Подумаешь!» — скажете вы. Ведь разгадка этого ребуса интересовала всего-навсего производителей ламп накаливания. Нельзя сказать, чтобы все английское общество того времени с замиранием сердца ждало ответа на «животрепещущий» вопрос. Однако предложенное Максом Планком математическое решение задачи подвигло Альберта Эйнштейна, которому на тот момент был двадцать один год, совершить в физике света очередной переворот. Высказанное невзначай предположение Планка повлекло за собой работы Эйнштейна и других ученых, в результате которых постепенно менялось наше представление о мире на атомарном уровне.
И тут уж вам придется принять идею о том, что видимый свет, как и остальные электромагнитные излучения, является волной окончательно и бесповоротно.
Планк предположил, что если тепло и свет, испускаемые разогретым металлом, принимают форму крошечных, неделимых «порций» энергии — ученый назвал их квантами, — то можно точно спрогнозировать, какая частота будет испускаться при той или иной температуре. Идею о существовании энергии в виде квантов Планк разработал исключительно для подгонки математических расчетов под экспериментальные данные; он предположил, что чем выше частота испускаемого света, тем больше энергии содержится в каждом из этих условных квантов. Сам Планк, как и остальные физики его времени, придерживался волновой теории света; он считал, что недалек тот час, когда испускаемые нагретым металлом свет и тепло объяснят с позиций волновой природы.
Однако спустя несколько лет, в 1905 году, запомнившемся в истории как annus mirabilis [65]Annus mirabilis (лат.) — год чудес; «Годом чудес» 1905 год назван благодаря важнейшим открытиям Эйнштейна в физике (прим. перев.).
, Эйнштейн высказал мысль о том, что идея Планка о квантах — вовсе не математическая уловка. Имя Эйнштейна тогда еще никому не было известно; будущий великий ученый едва сводил концы с концами, трудясь клерком в одном из швейцарских патентных бюро. В 1905 году Эйнштейн публикует работу, в которой допускает, что электромагнитное излучение в действительности состоит из квантов энергии.Что если, предположил Эйнштейн, эти невидимые «порции» энергии на самом деле существуют, являясь одной из физических характеристик света, относимого к электромагнитным волнам? Что если металлы, разогретые до состояния, при котором они начинают светиться, в действительности испускают отдельные «порции» энергии? Если так, то должно быть верным и обратное утверждение: металлы поглощают свет в виде разрозненных «порций» энергии. В случае экспериментального подтверждения этого допущения все наши представления о свете окажутся вновь перевернутыми с ног на голову.
Статья была опубликована в марте 1905 года; она стала первой из пяти прорывных работ Эйнштейна, написанных им в тот год. И они едва ли могут быть переоценены, поскольку явились фундаментом для будущего развития современной физики. Уже тогда у Эйнштейна появляются мысли, из которых позднее разовьется теория относительности. Однако сам физик из всех пяти работ считал действительно «революционной» только ту, в которой предполагал, что свет состоит из неделимых «порций», или квантов энергии.
* * *
Эйнштейн выдвинул гипотезу: если свет действительно испускается и поглощается в виде квантов, тогда, возможно, разные частоты или длины света, воспринимаемые нами как разные цвета, различаются количеством энергии, содержащимся в их квантах. В качестве опытного подтверждения своей гипотезы Эйнштейн сослался на фотоэлектрический эффект, который возникает при поглощении определенными металлами света.
Отличительная особенность металла заключается в том, что его электроны очень подвижны. Поэтому металлы — превосходные проводники электричества. Однако степень подвижности электронов в разных металлах разная — одни металлы проводят электричество лучше, нежели другие. Подвижность электронов состоит в том, что при попадании на металлический предмет света электроны от поверхности предмета отскакивают. Потерянные таким образом электроны можно подсчитать, поскольку металлический предмет, теряя отрицательно заряженные электроны, приобретает положительно заряженные. Данный эффект обязательно учитывают при конструировании космического корабля — солнечный свет, попадая на металлический корпус, вызывает нарастание положительного заряда, а это может нарушить работу аппаратуры. Кроме того, фотоэлектрический эффект лежит в основе принципа действия оптического датчика — важнейшего элемента в экспонометре фотоаппарата. А еще — в основе датчика, переключающего дорожный светофор, а также датчика ночника в детской. (В этих электронных устройствах электроны на самом деле не выбиваются с поверхности металла по мере поглощения света, а остаются в полупроводнике: переходят из статического состояния, при котором тесно связаны с атомами, в жидкое состояние потока, при котором возникают связи, подобные связям в металлах.)
Вслед за этим Эйнштейн предположил: если свет действительно состоит из квантов, тогда, возможно, в результате этого самого фотоэлектрического эффекта электрон выбивается с поверхности металла при поглощении кванта света. Если так, то количество электронов, отлетающих от металлической поверхности каждую секунду, будет зависеть от количества прибывающих за эту секунду квантов, то есть от интенсивности света. В то время как максимальная скорость, с которой они отлетают, будет зависеть от энергии в каждом кванте, их выбивающем, то есть от частоты света (иначе — цвета).
Десятью годами позже, в 1916 году, предположения Эйнштейна подтвердились. Когда определенные металлы освещались красным светом, обладающим сравнительно низкой частотой, электроны с поверхности металлов не выбивались, каким бы ярким свет ни был. А вот при освещении зеленым светом, обладающим средней частотой, электроны покидали свои места с готовностью. Однако отлетали они с одной и той же максимальной скоростью, вне зависимости от того, насколько свет был ярким. Их скорость значительно возрастала, когда металлическую поверхность освещали пусть и совсем слабым, но фиолетовым светом, обладающим высокой частотой.
Объяснить такое явление с позиций волновой природы света было невозможно. Однако все расставила по местам гипотеза о свете, состоящем из квантов энергии, причем, объем этой энергии, содержащийся в каждом кванте, зависел от частоты. Фотоэлектрический эффект подтвердил предположение Эйнштейна о том, что свет состоит из отдельных квантов, а не разбегающихся волн. Но как научная общественность в свое время держалась за ньютоновскую теорию о свете как частицах, противясь доказательствам Юнга в пользу волновой природы света, так и в первой половине XX века она крайне неохотно пошла на замену теории Юнга теорией Эйнштейна, вновь описывавшего свет как частицы. Его гениальная догадка была отвергнута современниками, утверждавшими, что «дерзкая» гипотеза «идет вразрез с неопровержимыми фактами» и что она «не в состоянии пролить свет на природу излучения».
Однако Эйнштейн твердо держался своих убеждений. «Существование светового кванта практически доказано», — пи сал он другу в 1916 году, вскоре после того, как его предположение о существование фотоэлектрического эффекта было подтверждено экспериментальным путем. Но в полной мере теорию Эинштейна приняли только в 1921 году, когда он получил Нобелевскую премию за свою работу 1905 года на тему квантовой природы света. Спустя пять лет световые кванты, о которых впервые упомянул Планк (сам в них не веривший) и существование которых доказал Эйнштейн, стали известны как фотоны.
Все вновь переменилось: свет все же состоит из частиц.
* * *
А что же Томас Юнг с его экраном? Разве демонстрация интерференции света, идущего через прорези в экране, не доказала со всей убедительностью, что свет ведет себя как волна? Опыт подтвердил волновую природу света. Две частицы — неважно, как вы их при этом назовете: корпускулами, квантами, фотонами или даже мельчайшими, меньше атома, карамельками — не могут соединиться таким образом, чтобы в итоге дать ноль частиц, как это происходит с несовпадающими по фазе и, следовательно, взаимно уничтожающимися волнами.
Любопытно, что произойдет, если пропускать эти «карамельки» через прорези экрана по одной. Ведь не получится же так, что наша «карамелька» пройдет через обе прорези одновременно и сама с собой интерферирует, а?
Что ж, какой бы невероятной задача ни казалась, выполнить ее возможно — с помощью фильтров, которые сократят интенсивность света, позволяя пропускать через прорези фотон за фотоном. Вместо того чтобы после прохождения через прорезь ударяться о стену, каждый фотон улавливается высокочувствительной камерой и записывается в виде белой точки.
Поначалу кажется, будто электроны располагаются в случайном порядке, однако по мере увеличения количества белых точек вырисовывается довольно любопытная картина:
Видите, что получается? Фотон за фотоном, и начинает угадываться знакомая схема {155}
Образовались светлые и темные области, своим расположением точь-в-точь повторяющие интерферирующие края на схеме Юнга. При этом большая часть фотонов сконцентрировалась в тех местах, где предполагались светлые участки, и совсем мало фотонов оказалось в тех местах, где предполагались темные участки. Выходит, данная схема нисколько не отличается от оптической схемы интерферирующих волн. Можно предположить, как выразился Поль Дирак, один из ученых, стоявших у истоков квантовой физики, что «каждый фотон интерферирует исключительно сам с собой». Вы подумаете: то, чем фотон занимается наедине с собой в затемненном боксе, касается его одного. Однако Дирак при этом подчеркивает: у нас нет ни малейшей догадки о том, почему отдельные фотоны иногда ведут себя как волны.
«Портрие. Порт» (1888) Поля Синьяка
Собравшиеся таким образом точки напоминают одно направление в живописи — пуантилизм. Получившуюся схему можно сравнить с картиной Поля Синьяка 1888 года, на которой он изобразил мелкую рябь в порту Портрие в Бретани. Наверняка это самая утомительная манера письма: художник касается холста кистью, нанося маленькие точки — одну за другой. (Наиболее известной картиной данного жанра считается «Воскресный день на острове Гранд-Жатт» Жоржа-Пьера Сера. Подумать только, на ее написание у художника ушло два года!) Ну хорошо, точки на холсте ставит художник. Но вот кто располагает фотоны? Чья таинственная рука управляет их размещением на экране, поначалу хаотичным, однако со временем вырастающим в пуантилистическую схему волновой интерференции?
Складывается такое впечатление, будто путь каждого фотона определяется волной — словно свет ведет себя как волна при движении и как частица при контакте с камерой. «Как только возникла частица, — сказал физик Джордж Паджет Томсон, — волна исчезла, как исчезает сон при пробуждении». Таков на первый взгляд противоречивый мир квантовой механики, в рамках которой двойственность поведения электромагнитных волн теперь может быть объяснена математически. Противоречивое поведение света в теорию вполне укладывается, но вот приблизила ли она нас к пониманию того, что свет, собственно, такое? Ричард Фейнман, квантовый физик с мировым именем, считает, что нет: «Дело в том, что мои студенты-физики тоже этого не понимают. Потому что я сам этого не понимаю. Никто не понимает».
Большинство квантовых физиков твердят о том, что природа света для них так же загадочна, как и для людей обычных, к науке никакого отношения не имеющих. В 1951 году сам Эйнштейн писал:
«За пятьдесят лет напряженных размышлений я так и не нашел ответа на вопрос: «Что такое кванты света?» Само собой, в наше время каждый дурак считает, что знает ответ, однако он глубоко заблуждается». {159}
* * *
Двойственность света состоит в том, что он может быть описан с точки зрения частоты (красный — как самый низкочастотный видимый спектр, синий/фиолетовый — как самый высокочастотный) или энергии его фотонов (фотоны красного цвета обладают наименьшим количеством энергии, фотоны синего/фиолетового цвета — наибольшим).
Но двойственную природу — и волны, и частицы — демонстрирует не только видимый свет. В этом замечены все электромагнитные волны — они могут быть описаны и с точки зрения их частоты, длины волн, и с точки зрения энергии их фотонов. Те волны, частота которых ниже частоты волн видимого света, и есть волны первой необходимости в мире коммуникаций: радиоволны, микроволновое излучение и инфракрасные волны. К волнам с частотой выше частоты волн видимого света относятся ультрафиолетовые волны, рентгеновское и гамма-излучение.
Волны ультрафиолетового света обладают длиной волны от 400 нм до 10 нм. Мы все равно называем их световыми волнами, пусть даже и не можем их увидеть. Зато их видят некоторые животные. Более длинные ультрафиолетовые волны испускаются Солнцем, хотя их не так много, как видимого света; благодаря ультрафиолетовому излучению мы загораем. Но вообще, чем меньше длина волны (я с тем же успехом мог бы сказать: «чем выше их частота» или «чем энергичнее их фотоны»), тем опаснее эти ультрафиолетовые волны для нашей кожи. Их можно описать как ионизирующее излучение, поскольку они отрывают электроны от атомов. Когда такое происходит с нашей кожей, молекулы ДНК под воздействием этого излучения повреждаются, в результате чего могут образоваться раковые клетки. К счастью, озоновый слой Земли поглощает большую часть коротковолновых, высокоамплитудных ультрафиолетовых волн. А вот космонавтам, оказывающимся за пределами атмосферы, остается полагаться лишь на тоненький слой золота, покрывающий забрало их шлема.
Волны рентгеновского излучения — электромагнитные волны длиной от 10 нм до 0,01 нм. Если сравнивать, то Солнце, к примеру, посылает на Землю не так уж и много рентгеновского излучения, однако оно в избытке выделяется сильно нагретыми газовыми облаками, которые растягиваются между группами сталкивающихся галактик на миллиарды световых лет. Впрочем, далеко ходить на надо: рентгеновские волны излучает и металлический предмет, если его бомбардировать быстрыми электронами. Именно так образуется рентгеновское излучение, с помощью которого делают снимок кости сломанной руки. Обладающие высокой энергией протоны легко проникают через мягкие ткани тела, но через кости им проникнуть сложнее, поэтому в местах костной структуры на снимке остается тень. Фотоны волн рентгеновского излучения также ионизируются, они способствуют образованию раковых клеток еще больше, чем волны ультрафиолетового излучения. Поэтому длительного облучения этими волнами следует избегать.
Наконец, мы добрались и до них, этих высокочастотных электромагнитных волн — волн гамма-излучения. Длина их волны — менее 0,01 нм; это самые короткие волны, с наиболее энергичными фотонами. В космосе они образуются небесными телами раскаленными куда сильнее, нежели наше Солнце, например, сверхновыми звездами. Здесь, на Земле, их испускают радиоактивные вещества — можете себе представить, до чего гамма-излучение опасно. И хотя для живых организмов они вредны, нет худа без добра — гамма-излучение широко используется в пищевой промышленности для уничтожения бактерий. А еще, как бы парадоксально это ни звучало, смертельно опасные, поражающие живые клетки фотоны спасают жизни: гамма-излучение применяют при лучевой терапии — оно убивает раковые клетки, останавливает их деление.
* * *
В 1924 году один французский аристократ продемонстрировал, что исключительная, тесно переплетенная природа волн и частиц выходит за пределы мира электромагнитных волн. Этим аристократом был Луи, седьмой герцог Брольи; в возрасте тридцати двух лет он защитил докторскую диссертацию перед комиссией факультета точных наук парижской Сорбонны. Тема его работы была так необычна, что поначалу экзаменаторы пребывали в замешательстве: присуждать соискателю степень или нет? Бройль утверждал: раз Эйнштейн убедительно доказал, что световые волны могут быть описаны как потоки мельчайших частиц, теперь известных как фотоны, то, возможно, верным будет и обратное. Что потоки мельчайших частиц вещества, например, электроны или даже атомы, каждый из которых обладает массой (пусть и ничтожной), могут быть описаны как волны.
В то время как математические выкладки Бройля выглядели безупречными, его вывод наверняка показался нелепым. Однако комиссия, пусть и с некоторыми сомнениями, докторскую степень ему все же присудила. Один из экзаменаторов показал работу Бройля Эйнштейну; она произвела на ученого впечатление. «Может, сама идея и кажется чистым сумасшествием, — писал он одному коллеге, — но с точки зрения обоснования она безупречна».
Упомянутые Бройлем «волны материи» только выглядели абсурдом, потому как вскоре их существование было доказано опытным путем. В 1927 году, спустя всего три года после защиты Бройлем его работы, двое физиков, трудившихся в Нью-Йорке в исследовательском центре компании «Белл» (кроме производства телефонных аппаратов финансировавшей исследования в области фундаментальной физики), обнаружили, что, как и луч света, поток электронов интерферирует с усилением и ослаблением: электроны, составлявшие пропущенный через кристалл никеля поток, распределились в виде концентрированных полос. Молекулярная решетка никеля выполняла функцию прорезей в опыте Юнга, только данные «прорези» располагались много ближе друг к другу (что-то около полумиллионной доли расстояния между прорезями в опыте Юнга).
Таким образом, волновое поведение электронов было наглядно продемонстрировано. Более того, измерив расстояние между полосами получившейся схемы и учтя размеры молекулярной решетки никеля, через которую электроны проходили, физики смогли вычислить длину волны этого потока электронов. Их расчеты один в один совпали с выполненными Бройлем расчетами длины волны, которой должен соответствовать поток электронов, движущихся с данной скоростью.
Принимая в 1929 году Нобелевскую премию по физике за это открытие, Бройль сказал: «Электрон больше не может восприниматься как одиночная, мельчайшая крупинка электричества; он должен ассоциироваться с волной. И существование этой волны — не миф, поскольку ее длина может быть измерена, а тип интерференции спрогнозирован».
* * *
Если вдруг вся эта чехарда с волнами и частицами оказалась выше вашего понимания, не впадайте в панику. Оно того стоит? Ведь от корпускулярно-волновой двойственности света нам с вами ни тепло, ни холодно.
Пожалуй, наиболее полезное практическое применение этих знаний — изобретение электронного микроскопа. Того самого прибора, благодаря которому мы разглядели «новогодние ели» на крыльях бабочки из подсемейства морфид. Обычный микроскоп никогда бы не показал, как выглядят малюсенькие «ветви», отвечающие за цветовые переливы крыла. И дело вовсе не в мощности линз или чувствительности оборудования. А в ограничениях любого обычного микроскопа, в работе которого используется видимый свет — предел его разрешения равен половине длины волны видимого света. В него невозможно разглядеть «ветви» менее 100 нм толщиной, ведь длина волны видимого света лежит в диапазоне от 400 до 750 нм.
Электронный же микроскоп дает изображение с гораздо более высоким разрешением. Самые современные микроскопы увеличивают до 0,05 нм, а это меньше размеров атома. Работа таких микроскопов зависит целиком и полностью от волнового поведения потоков электронов. Волны исследуемого вещества можно заставить рассеяться и обогнуть предметы, как это делают световые волны; далее эти волны с помощью специальных линз фокусируют — получается изображение. При длинах волн в одну миллионную длины волны видимого света к примеру, вы хотите сфотографировать волосок на тельце дрозофилы — волны материи имеют свои преимущества.
Электронный микроскоп увеличивает настолько, что становится видно: дрозофиле давно пора приобрести средство для удаления волос с лапок
Существуют два основных типа электронных микроскопов. Растровые электронные микроскопы измеряют электроны, которые выбиваются из опытного образца, бомбардируемого тонким пучком электронов. Просвечивающий электронный микроскоп измеряет схему, которая получается, когда более широкий поток электронов проходит через тончайший срез опытного образца. При этом неважно, проходят электроны через вещество или отскакивают — важно, чтобы все это происходило в вакууме, поскольку молекулы воздуха электроны рассеивают. Поток электронов отделяется от разогретой до высоких температур вольфрамовой нити накаливания с помощью мощного электрического поля; далее электроны в потоке разгоняются до скорости, приближающейся к скорости света.
Одним из главных отличий между микроскопом электронным и оптическим являются используемые в них линзы. Стекло линзы оптического микроскопа для потока электронов окажется слишком мутным. Поэтому в электронных микроскопах изображение получают, применяя в качестве собирающих линз сильные магнитные поля, фокусирующие поток электронов.
Различие между растровым и просвечивающим электронными микроскопами заключается в том эффекте, который получается при бомбардировке опытного образца потоком электронов или фотонов. Поэтому так важна предварительная подготовка образца.
Если предполагается использовать растровый электронный микроскоп, опытный образец покрывают сверхтонким слоем золота, чтобы электрический заряд, нарастающий при бомбардировке образца отрицательно заряженными электронами, отводился до того, как он исказит изображение. Готовя образец для просвечивающего электронного микроскопа, его тонкий слой срезают специальным алмазным ножом, чтобы электроны смогли пройти через него. Толщина слоя получается меньше 0,0001 мм (наверняка тут нужна твердая рука).
Благодаря использованию вместо светового потока пучка электронов электронные микроскопы и дают такое невероятно увеличенное изображение. Без знаний о волнах материи мы никогда не смогли бы узнать дрозофилу так близко, не говоря уже о том, чтобы рассмотреть особые геометрические структуры крыла бабочки.
Но ценность открытия Бройля не только в том, что мы получили возможность видеть маленькие-премаленькие предметы в большом-пребольшом увеличении; оно имело и гораздо более глубокое значение. Ведь если задуматься, тот факт, что Бройль сумел связать описание Эйнштейном света как одновременно и волны, и частицы с материей, представляется делом огромной важности. Бройль — сначала математически, а затем и опытным путем — доказал, что мельчайшие частицы, разогнанные до большой скорости, ведут себя как волны. И это касается не только электронов, а и атомов, молекул.
Догадываетесь, к чему я клоню? Любая материя, разобранная на достаточно маленькие части и запущенная на огромной скорости, обладает длиной волны. Таким образом, вы можете смело заявить (я, черт возьми, так и сделаю), что все есть волна. Похоже, мы, наблюдатели за волнами, кое в чем все-таки разобрались.
