Если вы человек религиозного склада, можете ответить «гадательно», тем самым закончив цитату из послания апостола Павла коринфянам, в которой дано рассуждение о нечеткости нашего восприятия Бога. Впрочем, научный ответ на этот вопрос столь же расплывчатый, как и теологический.
Данный феномен кажется простым и хорошо знакомым, и, с одной стороны, так и есть. Стекло прозрачно и позволяет лучам света проходить сквозь себя, а другие твердые субстанции непрозрачны и препятствуют прохождению света. Но если вдуматься, можно понять, что все не так уж просто. Глядя сквозь стекло, мы видим поток света без искажений, как будто бы нас и свет ничего не разделяет. Однако стекло – твердый материал. Почему же свет проходит только сквозь стекло, но не сквозь другие твердые вещества?
Один из возможных ответов кроется в мире передовой квантовой физики, или, если точнее, в инфернальном мире квантовой электродинамики, сокращенно КЭД. Она изучает взаимодействие света и материи, а основоположником этой науки выступил около полувека назад Ричард Фейнман.
В КЭД необходимо помнить, что свет иногда надо представлять как потоки невообразимо малых лишенных массы частиц, называемых фотонами, – впервые это понял Эйнштейн. Когда свет падает на подоконник (или на любую иную твердую поверхность), представьте себе, как множество маленьких фотонов попадает в поле атомов подобно тому, как толпа взбунтовавшихся солдат убегает в лес.
В центре каждого атома находится ядро. Его размер по отношению к атому, по меткому сравнению знаменитого физика Эрнеста Резерфорда, подобен размеру мухи в королевском концертном зале. Поэтому шансы на столкновение протонов и электронов крайне малы.
Однако ядро окружает вращающееся облако мелких заряженных частиц, называемых электронами. Если представить электроны и фотоны в виде бильярдных шаров, то они будут настолько смехотворно малы, что шансы на столкновение фотонов с электронами окажутся еще меньше, чем с ядром (две мухи в Лондоне могут случайно столкнуться с куда большей вероятностью). Казалось бы, в таком случае даже кирпич должен быть прозрачным. Но фотоны обладают электромагнитными свойствами, как и электроны, и при приближении к атомам их электрические поля вступают во взаимодействие.
При столкновении света с материей фотоны редко проходят через нее. Как правило, они притягиваются электронами – если и дальше пользоваться аналогией с лесом, то это как если бы наших беглых солдат поймали на опушке, – и электроны забирают их энергию. В случае с непрозрачными веществами большая часть этой энергии превращается в тепло – именно потому стены нагреваются на солнце. В случае с оконным стеклом, однако, большинство электронов лишь приходят в возбужденное состояние на короткий срок, после чего «отпускают» оставшуюся энергию в виде новых фотонов, как правило, с идентичной энергией.
Таким образом, когда солнце светит в окно, фотоны не проходят сквозь него. Они поглощаются атомами в стекле – и затем заново испускаются несколько раз, прежде чем оказаться на другой стороне с высокой, но не стопроцентной вероятностью. Но почему электроны большинства твердых тел поглощают фотоны, а стекло – нет? Все дело в энергетических уровнях. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на определенных уровнях, и если они поглотят фотон, то перейдут на более высокий уровень. Для непрозрачных твердых тел фотоны, по-видимому, обладают достаточным количеством энергии, чтобы электроны могли перейти на следующие уровни. Но стекло относится к особому типу тел, называемых аморфными. В таких телах расстояние между энергетическими уровнями гораздо больше, и фотоны видимого света не обладают достаточной энергией, чтобы позволить электронам переходить на другие уровни, поэтому большинство из них не поглощается. Стекло замедляет видимый свет, рассеивает, отражает или поглощает лишь его малую часть. А вот ультрафиолетовый свет несет достаточное количество энергии, и потому его фотоны поглощаются стеклом.
В целом вторичное излучение фотонов происходит так быстро, что передача света через стекло, хоть и замедляется до половины скорости света в вакууме, происходит практически моментально. Однако фантасты писали с присущей им мечтательностью о «медленном стекле»: окне, через которое свет проходит так неторопливо, что его можно упаковать, объездить с ним весь мир и спустя несколько месяцев любоваться неизменным видом. В 2013 году ученые из Франции и Китая поместили молекулы красителя в жидкокристаллическую матрицу, чтобы замедлить групповую скорость света до одной миллиардной его максимальной скорости (при добавлении атомов натрия, охлажденных до одной миллионной градуса выше абсолютного нуля, в состоянии, называемом конденсатом Бозе – Эйнштейна, свет может полностью остановиться). Также в 2013 году сотрудники Саутгемптонского университета сумели перегруппировать атомы кристаллов стекла, тем самым создав феноменальную «память стекла». Триста шесть терабайт информации может храниться в пластине размером с компакт-диск на протяжении нескольких столетий.
Впрочем, одним из наиболее экстраординарных свойств стекла является не прозрачность, а частичное отражение. Объяснение этого явления на квантовом уровне настолько запутанно, что я даже не буду пытаться его приводить.
Я решил прибегнуть к относительно сложному квантовому объяснению проходимости света через стекло, отвечая на вопрос «Как мы видим сквозь стекло?», но, разумеется, есть и другие пути. Например, я мог сосредоточиться на первой части вопроса – «как мы видим» – и рассмотреть способность человека фиксировать визуальные образы с позиций научного знания, рассказав не только о физическом восприятии образов органами зрения, но и о процессе обработки этих изображений мозгом. Надо было так и поступить, вышло бы гораздо проще…