Холодильник Эйнштейна

Максвелл продемонстрировал, что цвет света определяется скоростью колебаний, или частотой, электромагнитных волн. Чем выше эта скорость, тем синее свет. Красный свет, имеющий самую низкую частоту из видимых, представляет собой электромагнитную волну, которая совершает 450 триллионов колебаний в секунду. Частота колебаний зеленого света выше — около 550 триллионов колебаний в секунду, а синего — около 650 триллионов колебаний в секунду.

Теория Максвелла не только описала видимые цвета, но и предсказала существование невидимых электромагнитных волн. Их действительно начали открывать с 1870-х годов. Так, частоты радиоволн находятся в диапазоне от менее 100 колебаний в секунду до около 3 миллионов колебаний в секунду. Частота микроволн составляет от 3 миллионов до 300 миллиардов колебаний в секунду. Инфракрасные волны занимают диапазон между микроволнами и видимым светом. Когда частоты выше частоты синего света, излучение называется ультрафиолетовым. Далее идет рентгеновское излучение, а затем — гамма-излучение, частота которого составляет более 100 миллиардов миллиардов колебаний в секунду. Весь диапазон — от радиоволн до гамма-излучения — называется электромагнитным спектром.

Открытие Максвелла показывало, что физики в принципе понимали, почему светится нить накаливания электрической лампочки. Электрический ток нагревает нить. Нагревание, в свою очередь, заставляет входящие в ее состав электроны колебаться и испускать электромагнитные волны. На самом деле электромагнитные волны испускают все тела. Атомы постоянно пребывают в движении, а значит, движутся и их электроны. Так, при нормальной температуре около 36,6 °C человеческие тела испускают поддающиеся обнаружению инфракрасные волны. У змей, например гадюк, питонов и удавов, в ходе эволюции появились органы, позволяющие им улавливать такое излучение, чтобы охотиться и находить прохладные места для отдыха.

В конце XIX века ученые пытались установить, как именно взаимосвязаны температура тела и частоты испускаемых им электромагнитных волн.

Чтобы понять, как физики подходили к этому вопросу, представьте печь для обжига. При нагревании электроны в ее стенках начинают колебаться, что наблюдается и при нагревании большинства других тел. И все же печь дает нам наглядный пример, поскольку цвет внутри нее легко сопоставить с ее температурой. Темно-красный показывает, что печь становится довольно горячей. Когда ему на смену приходит оранжевый, а затем — желтовато-белый, температура в печи возрастает. Большинству из нас интуитивно понятно, что “белое каление” горячее “красного каления”.

Дело в том, что при низких температурах печь испускает лишь невидимое инфракрасное излучение. На ощупь она теплая, но при этом не светится. Когда температура поднимается, начинает также испускаться видимый красный свет более высокой частоты. Когда температура преодолевает отметку в 1000 °C, испускаться начинают высокочастотные цвета — сначала оттенки зеленого, а затем немного синего. Однако, поскольку печь продолжает испускать красный свет, при очень высоких температурах мы видим смешение красного, зеленого и синего, которое кажется нам оранжевым, желтым и желтовато-белым в зависимости от пропорционального соотношения компонентов.

Но даже при очень высоких температурах обычная печь для обжига испускает в основном инфракрасное излучение. Крошечная доля генерируемой ею электромагнитной энергии выходит в форме видимого света. Почти ничего не выходит в форме ультрафиолетового излучения или излучения с еще более высокой частотой. Кроме того, какой бы ни была температура, печь для обжига испускает очень мало энергии на низких микроволновых и радиочастотах.

Чтобы увидеть, что происходит при высоких температурах, обратите внимание на солнечный свет. Солнце сродни огромной печи, где поддерживается температура выше 5000 °C. При такой температуре испускается электромагнитное излучение другого типа. Солнце испускает некоторое количество инфракрасного света, но большая часть генерируемой им энергии проявляется в форме видимого света более высокой частоты.

Именно поэтому глаза человека и большинства животных в ходе эволюции приобрели чувствительность к красному, зеленому и синему, ведь на долю этих цветов приходится основная часть электромагнитной энергии, поступающей от Солнца. На более высоких и низких частотах к нам приходит относительно небольшое количество энергии, поэтому способность к их обнаружению не давала бы нам эволюционного преимущества.

Что происходит при еще более высоких температурах — скажем, при 12000 °C, как на сверхгиганте Ригеле? Эта звезда испускает более половины своей электромагнитной энергии в ультрафиолетовом диапазоне. Но даже такая горячая звезда испускает относительно небольшое количество сверхвысокочастотного рентгеновского излучения.