Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

Волны ультрафиолетового света обладают длиной волны от 400 нм до 10 нм. Мы все равно называем их световыми волнами, пусть даже и не можем их увидеть. Зато их видят некоторые животные. Более длинные ультрафиолетовые волны испускаются Солнцем, хотя их не так много, как видимого света; благодаря ультрафиолетовому излучению мы загораем. Но вообще, чем меньше длина волны (я с тем же успехом мог бы сказать: «чем выше их частота» или «чем энергичнее их фотоны»), тем опаснее эти ультрафиолетовые волны для нашей кожи. Их можно описать как ионизирующее излучение, поскольку они отрывают электроны от атомов. Когда такое происходит с нашей кожей, молекулы ДНК под воздействием этого излучения повреждаются, в результате чего могут образоваться раковые клетки. К счастью, озоновый слой Земли поглощает большую часть коротковолновых, высокоамплитудных ультрафиолетовых волн. А вот космонавтам, оказывающимся за пределами атмосферы, остается полагаться лишь на тоненький слой золота, покрывающий забрало их шлема.

Волны рентгеновского излучения — электромагнитные волны длиной от 10 нм до 0,01 нм. Если сравнивать, то Солнце, к примеру, посылает на Землю не так уж и много рентгеновского излучения, однако оно в избытке выделяется сильно нагретыми газовыми облаками, которые растягиваются между группами сталкивающихся галактик на миллиарды световых лет. Впрочем, далеко ходить на надо: рентгеновские волны излучает и металлический предмет, если его бомбардировать быстрыми электронами. Именно так образуется рентгеновское излучение, с помощью которого делают снимок кости сломанной руки. Обладающие высокой энергией протоны легко проникают через мягкие ткани тела, но через кости им проникнуть сложнее, поэтому в местах костной структуры на снимке остается тень. Фотоны волн рентгеновского излучения также ионизируются, они способствуют образованию раковых клеток еще больше, чем волны ультрафиолетового излучения. Поэтому длительного облучения этими волнами следует избегать.

Наконец, мы добрались и до них, этих высокочастотных электромагнитных волн — волн гамма-излучения. Длина их волны — менее 0,01 нм; это самые короткие волны, с наиболее энергичными фотонами. В космосе они образуются небесными телами раскаленными куда сильнее, нежели наше Солнце, например, сверхновыми звездами. Здесь, на Земле, их испускают радиоактивные вещества — можете себе представить, до чего гамма-излучение опасно. И хотя для живых организмов они вредны, нет худа без добра — гамма-излучение широко используется в пищевой промышленности для уничтожения бактерий. А еще, как бы парадоксально это ни звучало, смертельно опасные, поражающие живые клетки фотоны спасают жизни: гамма-излучение применяют при лучевой терапии — оно убивает раковые клетки, останавливает их деление.[68]

* * *

В 1924 году один французский аристократ продемонстрировал, что исключительная, тесно переплетенная природа волн и частиц выходит за пределы мира электромагнитных волн. Этим аристократом был Луи, седьмой герцог Брольи; в возрасте тридцати двух лет он защитил докторскую диссертацию перед комиссией факультета точных наук парижской Сорбонны. Тема его работы была так необычна, что поначалу экзаменаторы пребывали в замешательстве: присуждать соискателю степень или нет? Бройль утверждал: раз Эйнштейн убедительно доказал, что световые волны могут быть описаны как потоки мельчайших частиц, теперь известных как фотоны, то, возможно, верным будет и обратное. Что потоки мельчайших частиц вещества, например, электроны или даже атомы, каждый из которых обладает массой (пусть и ничтожной), могут быть описаны как волны.

В то время как математические выкладки Бройля выглядели безупречными, его вывод наверняка показался нелепым. Однако комиссия, пусть и с некоторыми сомнениями, докторскую степень ему все же присудила. Один из экзаменаторов показал работу Бройля Эйнштейну; она произвела на ученого впечатление. «Может, сама идея и кажется чистым сумасшествием, — писал он одному коллеге, — но с точки зрения обоснования она безупречна».^{160}

Упомянутые Бройлем «волны материи» только выглядели абсурдом, потому как вскоре их существование было доказано опытным путем. В 1927 году, спустя всего три года после защиты Бройлем его работы, двое физиков, трудившихся в Нью-Йорке в исследовательском центре компании «Белл» (кроме производства телефонных аппаратов финансировавшей исследования в области фундаментальной физики), обнаружили, что, как и луч света, поток электронов интерферирует с усилением и ослаблением: электроны, составлявшие пропущенный через кристалл никеля поток, распределились в виде концентрированных полос. Молекулярная решетка никеля выполняла функцию прорезей в опыте Юнга, только данные «прорези» располагались много ближе друг к другу (что-то около полумиллионной доли расстояния между прорезями в опыте Юнга).