5. Электромагнитные волны в природе

Солнечные лучи

"Дороги мне клейкие, распускающиеся весной листочки, дорого голубое небо", - говорил Иван Карамазов, один из героев, порожденных гением Достоевского.

Солнечный свет всегда был и остается для человека символом вечной юности, всего лучшего, что может быть в жизни. Чувствуется взволнованная радость человека, живущего под Солнцем, и в первом стихотворении четырехлетнего мальчика:

 Пусть всегда будет Солнце
 Пусть всегда будет небо,
 Пусть всегда будет мама,
 Пусть всегда буду я!

и в четверостишьи замечательного поэта Дмитрия Кедрина:

 Ты говоришь, что наш огонь погас.
 Твердишь, что мы состарились с тобою,
 Взгляни ж, как блещет небо голубое!
 А ведь оно куда старее нас...

Темное царство, царство мрака - это не просто отсутствие света, а символ всего тяжелого, гнетущего душу человека.

Поклонение Солнцу - древнейший и прекраснейший культ человечества. Это сказочный бог Кон-Тики перуанцев, это божество древних египтян - Ра. На самой заре своего существования люди смогли понять, что Солнце - это жизнь. Мы уже давно знаем, что Солнце - не божество, а раскаленный шар, но благоговейное отношение к нему останется у человечества навсегда.

Даже физик, привыкший иметь дело с точной регистрацией явлений, испытывает такое чувство, будто бы он совершает кощунство, когда говорит, что солнечный свет - это электромагнитные волны определенной длины и ничего больше. Но это именно так, и мы с вами должны в нашей книге стараться говорить только об этом.

Поклонение Солнцу

Как свет мы воспринимаем электромагнитные волны с длиной волны от 0,00004 сантиметра до 0,000072 сантиметpa. Другие волны не вызывают зрительных впечатлений.

Длина световой волны очень мала. Представьте себе среднюю морскую волну, которая увеличилась настолько, что заняла одна весь Атлантический океан от Нью-Йорка в Америке до Лиссабона в Европе. Длина световой волны в том же увеличении лишь ненамного превысила бы ширину этой страницы.

Глаз и электромагнитные волны

Но мы прекрасно знаем, что есть электромагнитные волны совершенно иной длины волны. Есть километровые волны; есть и более короткие, чем видимый свет: ультрафиолет, рентгеновские лучи и др. Почему же природа сделала наш глаз (равно как и глаза животных) чувствительным именно к определенному, сравнительно узкому, интервалу длин волн?

На шкале электромагнитных волн видимый свет занимает крохотную полоску, зажатую между ультрафиолетом и инфракрасными лучами. По краям простираются широкие полосы радиоволн и гамма- лучей, испускаемых атомными ядрами.

Все эти волны несут энергию, и, казалось бы, могли бы с тем же успехом делать для нас то, что делает свет. Глаз мог бы быть чувствительным к ним.

Конечно, сразу же можно сказать, что подходят не все длины волн. Гамма-лучи и рентген излучаются заметно лишь при особых обстоятельствах, и вокруг нас их почти что нет. Да это и "слава богу". Они (особенно это относится к гамма-лучам) вызывают лучевую болезнь, так что человечество не долго могло бы наслаждаться картиной мира в гамма- лучах.

Длинные радиоволны были бы крайне неудобны. Они свободно огибают предметы метровой величины, подобно тому как морские волны огибают выступающие прибрежные камни, и мы не могли бы рассматривать предметы, видеть которые четко нам жизненно необходимо. Огибание волнами препятствий (дифракция) привело бы к тому, что мы видели бы мир "как рыба в тине".

Но есть еще инфракрасные (тепловые) лучи, способные нагревать тела, но невидимые нами. Они, казалось бы, с успехом могли бы заменить те длины волн, которые воспринимает глаз. Или, наконец, глаз мог бы приспособиться к ультрафиолету.

Что же, выбор узкой полоски длин волн, которую мы именуем видимым светом, именно на данном участке шкалы, совершенно случаен? Ведь Солнце испускает как видимый свет, так и ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Нет и нет! Здесь далеко не случай. Прежде всего, максимум излучения электромагнитных волн Солнцем лежит как раз в желто-зеленой области видимого спектра. Но не это все же главное! Достаточно интенсивным будет излучение и в соседних областях спектра.

"Окна" в атмосфере

Мы живем на дне воздушного океана. Земля окружена атмосферой. Мы ее считаем прозрачной или почти прозрачной. И она является таковой в действительности, но только для узкого участка длин волн (узкого участка спектра, как говорят в подобном случае физики), который как раз воспринимает наш глаз.

Это первое, оптическое "окно" в атмосфере. Кислород сильно поглощает ультрафиолет. Пары воды задерживают инфракрасное излучение. Длинные радиоволны отбрасываются назад, отражаясь от ионосферы.

Имеется еще только одно "радиоокно", прозрачное для волн от 0,25 сантиметра до примерно 30 метров. Но эти волны, как уже говорилось, плохо подходят для глаза, да и интенсивность их в солнечном спектре очень уж мала. Потребовался большой скачок в развитии радиотехники, вызванный усовершенствованием радиолокаторов во время второй мировой войны, чтобы научились уверенно улавливать эти волны.

Длины волн

Таким образом, в процессе борьбы за существование живые организмы приобрели орган, реагирующий как раз на те излучения, которые были наиболее интенсивны и очень хорошо подходили для своего назначения.

То, что максимум излучения Солнца точно приходится на середину "оптического окна", следует, вероятно, считать дополнительным подарком природы. (Природа вообще оказалась исключительно щедрой по отношению к нашей планете. Можно сказать, что она сделала все, или почти все, от нее зависящее, чтобы мы могли рождаться и жить счастливо. Она, конечно, не могла "предусмотреть" всех последствий своей щедрости, но дала нам разум и тем самым сделала ответственными нас самих за свою дальнейшую судьбу.) Без поразительного совпадения максимума излучения Солнца с максимумом прозрачности атмосферы можно было бы, вероятно, обойтись. Лучи Солнца рано или поздно все равно пробудили бы жизнь на Земле и смогли бы поддерживать ее в дальнейшем.

Голубое небо

Если вы читаете эту книгу не как пособие для самообразования, которое жалко бросать, поскольку уже затрачены время PI деньги, а "с чувством, толком, расстановкой", то вы должны обратить внимание на очевидное, казалось бы, противоречие. Максимум излучения Солнца приходится на желто-зеленую часть спектра, а видим мы его желтым.

Голубое небо

Виновата атмосфера. Она лучше пропускает длинноволновую часть спектра (желтую) и хуже коротковолновую. Поэтому зеленый свет оказывается Сильно ослабленным.

Короткие длины волн вообще рассеиваются атмосферой во все стороны особенно интенсивно. Поэтому над нами "блещет небо голубое", а не желтое или красное. Не будь атмосферы совсем, не было бы над нами и привычного неба. Вместо него - черная бездна с ослепительным Солнцем. Пока это видели только космонавты.

Такое Солнце без защитной одежды губительно. Высоко в горах, когда есть еще чем дышать, Солнце становится невыносимо жгучим^*: нельзя оставаться без одежды, а на снегу - без темных очков. Можно обжечь кожу и сетчатку глаз.

^*(Ультрафиолетовое излучение верхними слоями атмосферы поглощается недостаточно.)

Дары Солнца

Световые волны, падающие на Землю, - бесценный дар природы. Прежде всего, они дают тепло, а с ним и жизнь. Без них космический холод сковал бы Землю. Если бы количество всей энергии, потребляемой человечеством (топливо, падающая вода и ветер), увеличилось в 30 раз, то и тогда это составило бы всего лишь тысячную долю той энергии, которую бесплатно и без всяких хлопот поставляет нам Солнце.

К тому же главные виды топлива - каменный уголь и нефть - не что иное, как "консервированные солнечные лучи". Это остатки растительности, буйным цветом покрывавшей когда-то нашу планету, а возможно, отчасти, и животного мира.

Вода в турбинах электростанций была когда-то в виде пара поднята вверх энергией солнечных лучей. Именно солнечные лучи приводят в движение воздушные массы в нашей атмосфере.

Но это еще не все. Световые волны не только нагревают. Они пробуждают в веществе химическую активность, которую не способен вызвать простой нагрев. Выцветание тканей и загар - это результат химических реакций.

Дары Солнца

Важнейшие же реакции идут в "клейких весенних листочках", равно как, впрочем, в иглах хвои, листьях травы, деревьев и во многих микроорганизмах. В зеленом листе под Солнцем происходят необходимые для всей жизни на Земле процессы. Они дают нам пищу, они же дают нам кислород для дыхания.

Наш организм, подобно организмам других высших животных, не способен соединять чистые химические элементы в сложные цепи атомов - молекулы органических веществ. Наше дыхание непрерывно отравляет атмосферу. Потребляя жизненно необходимый кислород, мы выдыхаем углекислый газ (СО₂), связываем кислород и делаем воздух непригодным для дыхания. Его нужно непрерывно очищать. Это делают за нас растения на суше и микроорганизмы в океанах.

Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород. Углерод идет на постройку живых тканей растения, а чистый кислород возвращается в воздух. Пристраивая к углеродной цепочке атомы других элементов, извлекаемых корнями из земли, растения строят молекулы белков, жиров и углеводов: пищу для нас и для животных.

Все это происходит за счет энергии солнечных лучей. Причем здесь особенно важна не только сама энергия, а та форма, в которой она поступает. Фотосинтез (так называют этот процесс ученые) может протекать только под действием электромагнитных волн в определенном интервале спектра.

Мы не будем делать попыток рассказать о механизме фотосинтеза. Он не выяснен еще до конца. Когда это случится, для человечества, вероятно, наступит новая эра. Белки и другие органические вещества можно будет выращивать прямо в ретортах под голубым небосводом.

Давление света

Тончайшие химические реакции порождает свет. Одновременно он оказывается способным на простые механические деяния. Он давит на окружающие тела. Правда, и здесь свет проявляет известную деликатность. Световое давление очень невелико. На квадратный метр земной поверхности в ясный солнечный день приходится сила всего лишь около половины миллиграмма.

На весь земной шар действует довольно значительная сила, около 60 000 тонн, но она ничтожно мала по сравнению с гравитационной силой (в 1014 раз меньше).

Поэтому для обнаружения светового давления понадобился громадный талант П. Н. Лебедева. Им было измерено в начале нашего века давление не только на твердые тела, но и на газы.

Несмотря на то, что световое давление очень мало, действие его иногда можно наблюдать непосредственно простым глазом. Для этого нужно увидеть комету.

Уже давно было замечено, что хвост кометы, состоящий из мельчайших частиц, при движении ее вокруг Солнца всегда направлен в противоположную от Солнца сторону.

Частицы хвоста кометы столь малы, что силы светового давления оказываются сравнимыми или даже превосходящими силы притяжения их к Солнцу. Поэтому кометные хвосты отталкиваются от Солнца.

Нетрудно понять, почему это происходит. Сила тяготения пропорциональна массе и, следовательно, кубу линейных размеров тела. Солнечное же давление пропорционально величине поверхности и, значит, квадрату линейных размеров. При уменьшении частиц силы тяготения вследствие этого убывают быстрее, чем давление, и при достаточно малых размерах частиц становятся меньше сил светового давления.

Интересный случай произошел с американским спутником "Эхо". После выхода спутника на орбиту сжатым газом была наполнена большая полиэтиленовая оболочка. Образовался легкий шар диаметром около 30 метров. Неожиданно выяснилось, что за один оборот давлением солнечных лучей он смещается с орбиты на 5 метров. В результате вместо 20 лет, как было запланировано, спутник удержался на орбите меньше года.

Световое давление

Внутри звезд при температуре в несколько миллионов градусов давление электромагнитных волн должно достигать громадной величины. Надо полагать, что оно наряду с гравитационными силами и обычным давлением играет существенную роль во внутризвездных процессах.

Механизм возникновения светового давления сравнительно прост, и мы можем сказать о нем несколько слов. Электрическое поле падающей на вещество электромагнитной волны раскачивает электроны. Они начинают колебаться в поперечном направлении к направлению распространения волны. Но это еще само по себе не вызывает давления.

На пришедшие в движение электроны начинает действовать магнитное поле волны. Оно-то как раз и толкает электроны вдоль светового луча, что и приводит в конечном счете к появлению давления на кусок вещества в целом.

Вестники далеких миров

Мы знаем, как велики безграничные просторы Вселенной, в которой наша Галактика - это рядовое скопление звезд, а Солнце - типичная звезда, принадлежащая к числу желтых карликов. Лишь внутри солнечной системы обнаруживается привилегированное положение земного шара. Земля наиболее пригодна для жизни среди всех планет солнечной системы.

Нам известно не только расположение бесчисленных звездных миров, но и их состав. Они построены из тех же самых атомов, что и наша Земля. Мир един.

Свет является вестником далеких миров. Он источник жизни, он же источник наших знаний о Вселенной. "Как велик и прекрасен мир", - говорят нам приходящие на Землю электромагнитные волны. "Говорят" только электромагнитные волны - гравитационные поля не дают сколько-нибудь равноценной информации о Вселенной.

Звезды и звездные скопления можно видеть простым глазом или в телескоп. Но откуда мы знаем, из чего они состоят? Здесь на помощь глазу приходит спектральный аппарат, "сортирующий" световые волны по длинам и рассылающий их по разным направлениям.

Нагретые твердые или жидкие тела испускают непрерывный спектр, т. е. всевозможные длины волн, начиная от длинных инфракрасных и кончая короткими ультрафиолетовыми.

Совсем иное дело изолированные или почти изолированные атомы раскаленных паров вещества. Их спектр - это частокол цветных линий разной яркости, разделенных широкими темными полосами. Каждой цветной линии соответствует электромагнитная волна определенной длины^*.

^*(Заметим, кстати, что вне нас в природе нет никаких красок, eсть лишь волны различной длины.)

Самое главное: атомы любого химического элемента дают свой спектр, непохожий на спектры атомов других элементов. Подобно отпечаткам пальцев у людей, линейчатые спектры атомов имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает найти преступника. Точно так же индивидуальность спектра дает в руки физиков возможность определить химический состав тела, не прикасаясь к нему, и не только тогда, когда оно лежит рядом, но и тогда, когда удалено на расстояния, которые даже свет проходит за миллионы лет. Надо лишь, чтобы тело ярко светилось^*.

^*(Химический состав Солнца и звезд определяется, собственно говоря, не по спектрам испускания, ибо это непрерывный спектр плотной фотосферы, а по спектрам поглощения атмосферой Солнца. Пары вещества поглощают наиболее интенсивно как раз те длины волн, которые они испускают в раскаленном состоянии. Темные линии поглощения на фоне непрерывного спектра позволяют установить состав небесных светил.)

Те элементы, которые есть на Земле, были "найдены" также на Солнце и звездах. Гелий был даже раньше обнаружен на Солнце и уже затем найден на Земле.

Если излучающие атомы находятся в магнитном поле, то их спектр существенно меняется. Отдельные цветные полоски расщепляются на несколько линий. Именно это позволяет обнаружить магнитное поле звезд и оценить его величину.

Звезды так далеки, что мы не можем непосредственно заметить, движутся они или нет. Но приходящие от них световые волны приносят нам и эти сведения. Зависимость длины волны от скорости движения источника (эффект Допплера, о котором уже упоминалось ранее) позволяет судить не только о скоростях звезд, но и об их вращении.

Основная информация о вселенной поступает к нам через "оптическое окно" в атмосфере. С развитием радиоастрономии все больше и больше новых сведений о Галактике поступает через "радиоокно".

Откуда берутся электромагнитные волны

Мы знаем, или думаем, что знаем, как происходит рождение радиоволн во вселенной. Один из источников излучения был упомянут ранее вскользь: тепловое излучение, возникающее при торможении сталкивающихся заряженных частиц. Больший интерес представляет нетепловое радиоизлучение.

Видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи имеют почти исключительно тепловое происхождение. Высокая температура Солнца и других звезд - главная причина рождения электромагнитных волн. Звезды излучают также радиоволны и рентгеновские лучи, но интенсивность их очень мала.

При столкновениях заряженных частиц космических лучей с атомами земной атмосферы рождается коротковолновое излучение: гамма- и рентгеновские лучи. Правда, рождаясь в верхних слоях атмосферы, они почти целиком поглощаются, проходя сквозь ее толщу, и не доходят до поверхности Земли.

Радиоактивный распад атомных ядер - главный поставщик гамма-лучей у поверхности Земли. Здесь энергия черпается из самой богатой "энергетической кладовой" природы - атомного ядра.

Излучают электромагнитные волны и все живые существа. Прежде всего, как и любое нагретое тело, - инфракрасные лучи. Отдельные насекомые (например, светляки) и глубоководные рыбы испускают видимый свет. Здесь он рождается за счет химических реакций в светящихся органах (холодный свет).

Наконец, при химических реакциях, связанных с делением клеток растительных и животных тканей, излучается ультрафиолет. Это так называемые ми- тогенетические лучи, открытые советским ученым Гурвичем. Одно время казалось, что они имеют большое значение в жизнедеятельности клеток, но впоследствии более точные опыты, насколько можно судить, породили здесь ряд сомнений.

Обоняние и электромагнитные волны

Нельзя сказать, что на органы чувств действует только видимый свет. Если вы поднесете руку к горячему чайнику или печке, то почувствуете тепло на расстоянии. Наш организм способен воспринимать достаточно интенсивные потоки инфракрасных лучей. Правда, расположенные в коже чувствительные элементы реагируют непосредственно не на излучение, а на вызванное им нагревание. Может быть, иного действия на организм инфракрасные лучи не производят, но, может быть, это и не так. Окончательный ответ будет получен после решения загадки обоняния.

Каким образом человек, а в еще большей мере животные и насекомые чувствуют на значительном расстоянии по запаху присутствие тех или иных веществ? Напрашивается простой ответ: проникая в органы обоняния, молекулы вещества вызывают свое специфическое раздражение этих органов, которое мы воспринимаем как определенный запах.

Обоняние

Но как можно объяснить такой факт: пчелы слетаются на мед даже в том случае, когда он герметически закупорен в стеклянной банке. Или другой факт: некоторые насекомые чувствуют запах при столь малой концентрации вещества, что на каждую особь в среднем приходится менее одной молекулы.

В связи с этим выдвинута и разрабатывается гипотеза, согласно которой обоняние обусловлено электромагнитными волнами, более чем в 10 раз превышающими по длине волны видимого света. Эти волны испускаются при низкочастотных колебаниях молекул и воздействуют на органы обоняния. Любопытно, что данная теория неожиданным образом сближает наш глаз и нос. Тот и другой - это различного типа приемники и анализаторы электромагнитных волн. Так ли все это на самом деле, пока сказать довольно трудно.

Знаменательное "облачко"

Читатель, который на протяжении всей этой длинной главы уже, вероятно, устал удивляться бесконечному разнообразию проявлений электромагнетизма, проникающего даже в такую деликатную область, как парфюмерия, мог бы прийти к выводу, что нет на свете более благополучной теории, чем эта. Правда, некоторая заминка получилась при разговоре о строении атома. В остальном же электродинамика кажется безупречной и неуязвимой.

Такое ощущение огромного благополучия возникло у физиков в конце прошлого века, когда строение атома еще не было известно. Это ощущение было настолько полным, что знаменитый английский физик Томсон на рубеже двух веков имел, казалось, основание говорить о безоблачном научном горизонте, на котором его взор усматривал только два "маленьких облачка". Речь шла об опытах Майкельсона по измерению скорости света и о проблеме теплового излучения. Результаты опытов Майкельсона легли в основу теории относительности. О тепловом излучении поговорим подробно.

Физиков не удивляло, что все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Нужно было только научиться количественно описывать это явление, опираясь на стройную систему максвелловских уравнений и законы механики Ньютона. Решая эту задачу, Рэлей и Джине получили удивительный и парадоксальный результат. Из теории с полной непреложностью следовало, например, что даже человеческое тело с температурой 36,6°С должно было бы ослепительно сверкать, неминуемо теряя при этом энергию и быстро охлаждаясь почти до абсолютного нуля.

Здесь не надо никаких тонких экспериментов, чтобы убедиться в явном конфликте теории с действительностью. И вместе с тем, повторяем, вычисления Рэлея и Джинса не вызывали никаких сомнений. Они были прямым следствием самых общих утверждений теории. Никакие ухищрения не могли спасти положение.

То, что многократно проверенные законы электромагнетизма забастовали, как только их попытались применить к проблеме излучения коротких электромагнитных волн, настолько ошеломило физиков, что они стали говорить об "ультрафиолетовой катастрофе"^*. Ее-то и имел в виду Томсон, говоря об одном из "облачков". Почему же только "облачко"? Да потому, что физикам в то время казалось, что проблема теплового излучения - маленький частный вопрос, не существенный на фоне общих гигантских достижений.

^*("Катастрофа" была названа ультрафиолетовой, так как неприятности были связаны с излучением очень коротких волн.)

Однако этому "облачку" суждено было разрастаться и, превратившись в гигантскую тучу, заслонить весь научный горизонт, пролиться невиданным ливнем, который размыл весь фундамент классической физики. Но одновременно он же вызвал к жизни новое физическое миропонимание, которое мы сейчас кратко обозначаем двумя словами - "квантовая теория".

Прежде чем рассказывать о том новом, что в значительной мере перевернуло наши представления как об электромагнитных силах, так и о силах вообще, обратим наш взор назад и попробуем с той высоты, на которую мы поднялись, отчетливо представить себе, почему же электромагнитные силы играют в природе столь выдающуюся роль.