На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии - Тайсон Нил Деграсс

Мог ли Ньютон также подумать – хоть раз, хоть на минуту – о том, что существуют другие, смежные с видимым, разновидности света, которые наши глаза видеть не могут? Ведь он замечал, что и красный цвет на одном конце видимого спектра, и фиолетовый – на другом переходят в темноту постепенно[257]. Он упоминал о возможности существования «других присущих лучам света изначальных свойств, помимо тех, что уже описаны»[258]. Возможно, важнее всего именно то, что ему нравилась идея скрытых, неявных свойств света. И все же в его «Оптике» нет ясных свидетельств того, что его мысль заходила так далеко. Во всяком случае, должно было пройти еще столетие, пока на этот так и не поставленный Ньютоном вопрос не нашелся ответ.

Этих ответов оказалось даже несколько. Один из них был получен в начале 1800 года, когда английский астроном Уильям Гершель – человек, открывший за два десятилетия до этого планету Уран, – исследовал связь между солнечным светом, цветом и теплом.

По примеру Ньютона, Гершель начал с того, что поставил на пути пучка солнечных лучей призму. Но он сделал и еще один шаг: чтобы узнать, не имеют ли лучи каждого цвета свою, отличающуюся от других температуру, он поместил в разные области спектральной радуги термометры. И, как делает любой хороший экспериментатор, предусмотрел и контрольный термометр вне цветовой полосы – по соседству с красным концом спектра, – чтобы измерить температуру окружающего воздуха, не нагретого прямым потоком солнечного света. Гершель действительно убедился, что облучение разными цветами дает различные значения температуры, но это оказалось лишь вторым по значению результатом его эксперимента. Более интересным было то, что контрольный термометр, оставшийся в темноте, показал более высокую температуру, чем любой из термометров, помещенных в радугу. Это могло означать только одно: его нагрели невидимые лучи.

Сэр Уильям открыл инфракрасный свет: «инфра» означает «под», то есть полоса этого света расположена по спектру ниже красной. Его открытие было астрономическим эквивалентом обнаружения геологами колоссального Нубийского водоносного слоя под песками Восточной Сахары. Вот что он писал об этом:

В нескольких экспериментах <…> оказалось, что на максимум освещения приходится немногим более половины тепла красных лучей; а из других экспериментов я подобным же образом заключаю, что и красные лучи не дают наибольшего тепла; максимум же тепла, возможно, лежит несколько вне видимой области разложения света. В этом случае излучаемое тепло, по крайней мере частично, если не преимущественно, состоит, если мне может быть позволено так выразиться, из невидимого света; то есть из приходящих от Солнца лучей, энергия которых такова, что не воспринимается зрением[259].

В следующем, 1801 году Иоганн Вильгельм Риттер, немецкий ученый, интересы которого лежали на стыке электричества и химии, начал с того места, где Гершель остановился. Приверженный философской концепции полярности в природе Риттер предположил, что у инфракрасных лучей должен быть аналог с противоположной стороны видимого спектра. Чтобы продемонстрировать присутствие невидимых лучей и там, он вместо термометров взял хлорид серебра, субстанцию, которая, как было известно, в различной степени разлагается и темнеет, когда ее облучают лучами разных цветов. Эксперимент Риттера, как и Гершеля, был одновременно прост и остроумен: физик поместил щепотку хлорида серебра на каждую цветную полоску спектра и на неосвещенное место рядом с его фиолетовым концом и стал ждать результатов. Как он и рассчитывал, кучка на неосвещенном конце потемнела даже сильнее, чем на фиолетовой полоске. А что может быть более фиолетовым, чем фиолетовый цвет? Только ультрафиолет.

Регистрация невидимого стала научной реальностью.

Но техника наблюдений звезд не меняется за одну ночь. Первый телескоп, способный регистрировать излучение с длинами волн вне узенькой видимой части электромагнитного спектра, был построен лишь через 130 лет после описываемых событий, намного позже, чем немецкий физик Генрих Герц показал, что единственное, чем на деле отличаются различные виды света, – это энергия, которую они несут. И по сути, по природе своей, все эти виды одинаковы: радиоволны, микроволны, инфракрасный свет, «каждый-охотник-желает-знать-где-сидит-фазан», ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-радиация. Другими словами, он понял, что есть только электромагнитный спектр – симфония колеблющихся волн, каждая со своей длиной, частотой и энергией. Для астрофизика – все это энергия, все это излучение, все это свет.

Иногда свет ведет себя как поток частиц, которые мы называем фотонами, а иногда – в сущности, в нашей повседневной жизни так почти всегда и происходит – он ведет себя, как волны. Следует ли представлять свет в виде волн или частиц – старый спор: Демокрит спорил об этом с Аристотелем, Ньютон с Гюйгенсом, а согласно квантовой физике, он и то и другое. Из нее же пришел и известный термин «корпускулярно-волновой дуализм», хоть мозгам и нелегко справиться с этой концепцией. Предложить вместо «волна-частица» термин «волница» никто не догадался.

Будем пока что считать, что свет – электромагнитное излучение – состоит из волн, которые состоят из частиц. Термин «длина волны», конечно, относится к волнам – это расстояние от гребня волны до следующего гребня или от впадины до следующей впадины. Длина волны гамма-излучения меньше диаметра атома: длина самых длинных радиоволн может превышать диаметр Земли[260]. Чем короче длина волны, тем выше ее энергия и в широком смысле тем большую опасность представляет она для жизни в известной нам форме. И для каких бы целей, благородных или гнусных, мы ни стали бы использовать электромагнитное излучение, чем короче будет его длина волны, тем выше плотность информации, которую оно способно переносить.

Не прибегая к техническим средствам, заурядные человеческие существа видят лишь очень маленькую часть полного электромагнитного спектра – от фиолетового цвета с длиной волны примерно в четыреста нанометров до красного, длина волны которого почти вдвое больше: около семисот нанометров. Когда подумаешь о том, что весь электромагнитный спектр, измеряемый на сегодня, охватывает более двенадцати порядков величины длин волн – то есть самые длинные волны отличаются от самых коротких больше чем в триллион раз, – получается, что наше оптическое окно, где длины волн отличаются не более чем вдвое, просто микроскопическая щель, в которую мы рассматриваем мир. Но, что крайне важно для нас, максимум энергии Солнца приходится как раз на середину этой тоненькой щелки – видимой части спектра. И так как мы ведем дневной образ жизни, эволюционно разумно, что максимум регистрирующей способности наших глаз приходится на ту же длину волны.

Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи для нас невидимы, но это не значит, что они недоступны нашим органам чувств. Мы чувствуем их не глазами, а кожей. При этом инфракрасный свет ощущается в виде тепла непосредственно в момент облучения, а ультрафиолет – только после того, как наша кожа потемнеет (мы называем это загаром), а может, и покраснеет от солнечного ожога.

Земля сама по себе излучает инфракрасный свет, как и любое вещество, одушевленное или нет, молекулы которого находятся в движении, – другими словами, как все, что имеет температуру выше абсолютного нуля. Инфракрасное излучение испускают находящиеся в галактиках пылевые облака, в глубине которых формируются звезды. Ваш котенок, ваша канарейка, ваши комнатные растения, даже если они увяли, светятся инфракрасным светом. У некоторых видов змей на голове есть ямочки, чувствительные к инфракрасным лучам, исходящим от вкусной теплокровной жертвы, легко различимой ночью на фоне быстро охлаждающейся среды. Гроза гостиничной индустрии и всех туристов мира, клопы, тоже имеют инфракрасные сенсоры, указывающие им путь к ближайшему источнику теплой крови. Точно так же обстоит дело и с ультрафиолетом: летающие насекомые – в том числе мошка, моль, комары и бабочки, – а также птицы, летучие мыши, крысы и кошки прекрасно его видят.