Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Любой свет – это электричество

Когда мы говорим об электрическом свете, то обычно имеем в виду тот, который наполняет комнату после щелчка выключателя. Томас Эдисон полагал, что именно он изобрел лампу, и вы, возможно, тоже так считаете. Но вы неправы. Любой свет – это электричество. И так было всегда, задолго до того, как электричество было открыто. Просто тогда не было слова для его обозначения.

Любой свет (в самом широком смысле) – от мерцающих свечей или потрескивающего в камине огня до радиоволн или микроволн и рентгеновских лучей – состоит из электрического и магнитного полей, которые вместе пронизывают пространство. Если бы мы могли замедлить распространение света и посмотреть на него на атомарном уровне, то увидели бы, что он движется как электромагнитная волна. Представьте себе, что пространство между вашими глазами и Солнцем – огромный океан электромагнетизма. Когда солнечный свет попадает в ваши глаза, электромагнитные волны пробивают к вам себе дорогу сквозь космическую пустоту подобно тому, как волны движутся по поверхности океана.

Почему мы не можем видеть свет?

Океанские волны могут нести на себе серферов со скоростью до 40 км/ч, а свет гораздо более скор на ногу – в 27 млн раз, если быть точным[149]. Он может покрыть расстояние в 300 000 км (семь раз обогнуть экватор) за секунду. Так что достичь Земли от Солнца для него – дело восьми минут. Вот почему мы не можем видеть движение света в пространстве так, как переливы волн на воде. Вдобавок свет имеет микроскопическую природу. В видимом спектре каждая световая волна имеет длину всего несколько сотен нанометров (в несколько тысяч раз больше, чем обычный атом), поэтому наши шансы увидеть воочию световую волну в буквальном смысле исчезающе малы[150].

А как насчет фотонов? Если свет состоит из них, почему мы не можем их видеть? И вот здесь мы вступаем в область сюрреалистического, как в сказке про Алису в Стране чудес, в мир квантовой теории – таинственных идей, которые помогают нам понять, что на самом деле происходит на субатомном уровне. Оказывается, фотоны тоже ничтожно малы и не имеют массы. Это чистая энергия. Высчитать, какой энергией обладает один фотон, несложно (хотя эта величина будет различаться в зависимости от цвета светового луча). Например, гелий-неоновый лазер испускает устойчивый поток красных фотонов, и энергия каждого из них составляет примерно 0,0000000000000000003 Дж[151]. Обычная электрическая лампочка обычного карманного фонарика излучает примерно два квинтиллиона (2 000 000 000 000 000 000) фотонов в секунду[152]. Как можно вообразить такое число? Представьте себе, что каждый человек, живущий на Земле, имел бы внутри себя 300 млн своих маленьких «копий». Сложите общее число «копий» на планете, и вы получите количество фотонов, которое испускает каждую секунду электрическая лампочка. Представив себе примерную ширину луча, можно получить приблизительное представление о размере фотона: каждую секунду в нем находится в 300 млн раз больше фотонов, чем людей на Земле.

Почему дома становятся такими светлыми и яркими?

Из главы 2 мы узнали, что энергия не возникает ниоткуда и не исчезает никуда. Поскольку свет – разновидность энергии, из закона сохранения энергии следует, что он тоже должен возникать из чего-то, откуда-то должна появляться энергия, которую он переносит. Источник света может быть любым: факел, старая восковая свеча, спрятанная давным-давно на случай перебоев с электричеством и найденная под мойкой, или современная экономичная неоновая лампа.

Откуда же берется свет? Он возникает из атомов. Как мы уже видели ранее, атом – мельчайшая частица материи, основная масса которой сосредоточена в ядре, состоящем из протонов и нейтронов. На периферии атома находятся легкие частицы – электроны. Их обычно столько же, сколько и протонов[153]. Чтобы представить себе электроны, которые вращаются вокруг атомного ядра по своим орбитам, представьте себе, что эти орбиты – поперечные срезы головки лука. Но в целом картинки строения атомов, которые мы рисуем (или видим), можно считать правдивыми только с большой натяжкой. Как рассказывает в своей книге об истории деления атома Брайан Кэткарт, ядро атома сравнимо по размерам с «мухой в кафедральном соборе» или с фасолиной в центре футбольного поля[154].