В погоне за Солнцем (другой перевод)
Шрифт:
Что есть свет? Поэт и философ Эмпедокл, современник Пифагора, проявил блестящую интуицию, предполагая, что свет есть текучая субстанция, но отметил, что из-за высокой скорости мы не замечаем его движения. Как и Платон, он считал, что существовал некий “огонь в глазу” и мы смотрим будто через своего рода светильник. Более традиционное мнение заключалось в том, что предметы испускали частицы света, которые попадали в глаза наблюдателя, свет при этом передавался мгновенно.
Идея о том, что свет может обладать измеримой скоростью, не возникала до 1632 года, когда Галилей в своем “Диалоге о двух главнейших мировых системах” вложил эту мысль в уста наивного Симпличио:
Повседневный опыт показывает, что распространение света совершается мгновенно. Если вы наблюдаете с большого расстояния действие артиллерии, то свет от пламени выстрелов без всякой потери времени запечатлевается в нашем глазу в противоположность звуку, который доходит до уха через значительный промежуток времени [393] .
Галилей был уверен, что свет обладает конечной скоростью, но его эксперименты были довольно неточными (он просто ставил два светильника на вершинах холмов менее чем в миле друг от друга), и он даже не приблизился к оценке той невероятной скорости, что в действительности имеет место. Первая серьезная оценка, сделанная датским астрономом Оле Ремером (1644–1710), составляла около 220 тыс. км в секунду, но она осталась в тени дискуссии между Гюйгенсом и Ньютоном о волновой и корпускулярной природе света. В 1728 году английский ученый Джейм Брэдли, исходя из предположения, что скорость распространения света в 10 тыс. раз превышает скорость
393
Пер. А. Долгова.
Почти столетие спустя дальнейшие эксперименты французских физиков Ипполита Физо и Леона Фуко (один использовал вращающиеся зубчатые колеса, другой – вращающиеся зеркала) показали цифру 309 тыс. км / с [394] . В 1859 году последовало открытие Густава Кирхофа (1824–1887), физика из Восточной Пруссии, – он показал, что изучение света, излучаемого небесными телами, может дать много информации о самих телах. Это стало важной вехой и заложило основу новой научной дисциплины – астрофизики, что совпало с еще одним научным прорывом – уравнениями Максвелла, которые Эйнштейн назвал “самым глубоким и плодотворным достижением в физике со времен Ньютона”. Великий шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) открыл, что частица света (фотон) в действительности является пучком электрических и магнитных полей. Как отмечает физик Митио Каку, “Максвелл внезапно понял, что все – и сияние летнего восхода, и яростные лучи заходящего солнца, и ослепительные цвета радуги, и звезды на ночном небосклоне – можно описать при помощи волн, которые он небрежно изобразил на клочке бумаги” [395] . Максвелл смог вычислить скорость света исходя из базовых параметров электричества и магнетизма. А еще позже квантовая физика покажет, что, хотя в пространстве свет ведет себя как волна, при столкновении с материей он проявляет свойства частицы.
394
Вращающееся колесо Физо имело небольшие прорези. Свет от источника отражался от зеркала и, если колесо вращалось достаточно быстро, возвращался через другое отверстие. Скорость рассчитывалась из расстояния между зеркалом и колесом, скоростью вращения последнего и расстоянием между прорезями. Фуко модифицировал метод Физо и сделал вращающимся само зеркало. Луч от источника света падал на зеркало, отражался на далекое второе зеркало (неподвижное и вогнутое) и вновь попадал на вращающееся. При вращении зеркала на достаточно большой скорости луч падал с небольшим сдвигом. Скорость света могла быть измерена с учетом скорости вращения зеркала, размером сдвига и расстоянием между зеркалами. См.: Katie McCullough, Speed of Light Formal Report (The Foucault Method),projects/speed_of_light/cache/2/lightspeedformal.htm
395
Пер. Н. Лисовой.
В 1887 году Альберт Майкельсон (1852–1931), польский еврей, бежавший в США, модифицировал эксперимент Фуко и получил величину скорости света, равную 297 тыс. км / с – в двадцать раз точнее Фуко и достаточную для того, чтобы сделать ученого знаменитым [396] . В 1880-е годы полагали, что световые волны распространяются через “люминофорный” (светоносный) эфир, который считался невидимым и вездесущим. В сотрудничестве с химиком Эдвардом Морли (1838–1923) Майкельсон выдвинул гипотезу того, что свет не нуждается ни в какой среде, а его скорость постоянна и ни от чего не зависит: луч света фары движущегося поезда не будет двигаться быстрее, чем свет станционного фонаря. В этом он перестарался, и Эйнштейн потом доказал, что скорость все-таки может меняться: в глубоком космосе, в абсолютном вакууме и далеко от массивных тел свет будет двигаться медленнее, чем вблизи Земли или других крупных тел (но дело не только в массе – сквозь алмаз свет также движется почти в два раза медленнее).
396
Dorothy Michelson Livingston, The Master of Light. Chicago, 1973; Joel Achenbach, The Power of Light, National Geographic. 2001. Октябрь. Р. 15.
До недавнего времени самая низкая скорость света была зафиксирована на отметке около 60 км / ч – медленнее, чем велогонщик, – при прохождении через натрий при температуре –272 °C. В 2000 году в Гарварде ученым удалось остановить свет посредством конденсата Бозе – Эйнштейна (агрегатное состояние вещества, состоящего из сильно охлажденных бозонов) [397] . Так что свет не только может перемещаться на разных скоростях, удивительным образом он может и вовсе остановиться.
397
John Lloyd, John Mitchinson, The Book of General Ignorance. London: Harmony, 2007. Р. 57.
В 1802 году, два года спустя после открытия Уильямом Гершелем инфракрасного излучения, английский физик Уильям Уолластон (1766–1828) обнаружил, что, если пропустить солнечный свет через тонкую щель, а затем через призму, полученный спектр обнаруживает серию параллельных черных линий, похожих на щели между клавишами фортепиано; не прошло и двенадцати лет, как Йозеф Фраунгофер показал, что разные длины волн порождают разные цвета, и сопоставил цвета с количественной мерой, что позволило “разметить” видимый спектр (слово принадлежало Ньютону). Цвет с самой короткой длиной волны был фиолетовым, с самой длинной – красным, остальное размещалось между этими двумя уходящими в невидимость крайностями [398] .
398
Наши глаза, содержащие каждый по 125 млн сенсоров, – хорошие детекторы, но небольшие. Сетчатка – подобие экрана на задней стенке глаза, куда хрусталик отбрасывает изображение, – состоит из двух типов элементов. Палочки воспринимают форму, а колбочки (названные так из-за конической формы, напоминающей колбу) – цвет. Животные, ведущие преимущественно дневной образ жизни, имеют смесь колбочек и палочек, а сетчатка ночных созданий состоит практически только из палочек. Совы, например, воспринимают мир в основном в монохромном режиме, но зато могут это делать при такой низкой освещенности, при которой прочие животные уже ничего не видят (см.: David Attenborough, The Private Life of Plants. Princeton, N. J.: Princeton University Press, 1995. Р. 102). У большинства позвоночных два типа колбочек, у многих птиц, черепах и рыб их четыре-пять. Люди получают восприятие цвета из трех разных видов рецепторов (колбочек) в глазной сетчатке. В зависимости от степени их стимуляции наша зрительная система создает цвета, которые мы видим.
Фраунгофер в отличие от своих предшественников заметил нечто неожиданное в призматическом спектре: “Почти бесконечное число широких и узких вертикальных линий, которые были темнее, чем остальное цветное изображение”. Удивленный этим открытием – некоторые линии казались абсолютно черными, – он убедился, что это не оптическая иллюзия, а “провалы” в солнечном спектре, указывающие на отсутствие определенных химических элементов в самом Солнце. Поскольку линии двух разных элементов никогда не совпадают, он смог исследовать отдельные спектры и таким образом идентифицировать элементы.
В 1854 году американец Дэвид Алтер довел эту мысль до логического завершения. Он предположил, что каждый элемент имеет собственную картину цветных линий, уникальную “подпись”. Историк науки Стюарт Кларк объясняет важность этого открытия: “Если бы астрономы знали, какие испарения какие линии спектра производят, они бы получили невероятный инструмент – способность определять химический состав
небесных тел” [399] . Через несколько лет Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен (навсегда прославившийся бунзеновой горелкой – не его изобретением, но названным в его честь) [400] объединили призму и телескоп в новый прибор, названный ими спектроскопом. Однажды по случайному капризу они направили его на пожар в соседнем Мангейме и обнаружили в огне присутствие бария и стронция. Но если они могли анализировать состав ближайшего пожара, почему нельзя было проанализировать солнечную поверхность? Еще несколько экспериментов, и они это сделали. Они предположили, что черные линии Фраунгофера происходят от поглощения отдельных волн солнечной атмосферой, а поверхность Солнца состоит из раскаленной жидкости, изучение которой позволит узнать ее состав [401] . Они добились того, что Конт считал невозможным, – исследовали химический состав объектов, не отщипнув у них ни кусочка для анализа [402] .399
Stuart Clark, The Sun Kings. Princeton, N. J.: Princeton University Press, 2007. Р. 94.
400
Бунзен был одним из величайших экспериментаторов. Еще в молодости он работал с образцом цианида какодила, который взорвался и, разбив защитную маску, повредил правый глаз ученого, едва не убив его самого. Это не смогло остановить Бунзена, и к 1861 году он уже выделил в составе Солнца натрий, кальций, магний, железо, хром, никель, барий, медь и цинк. Он говорил, что у него никогда не было времени на женитьбу, хотя, может быть, его статус холостяка легче объяснить неприятным запахом химикатов, постоянно сопровождавшим Бунзена. Жена одного из коллег ученого говорила: “Бунзена надо сперва вымыть, а потом я бы его расцеловала, он такой очаровательный”.
401
См.: Duncan Steel, Marking Time. Р. 145–50. См. также: Mick O’Hare, ed., Why Don’t Penguins’ Feet Freeze? And 114 Other Questions. London: Profile, 2006. Р. 154–55.
402
Clark, Sun Kings. Р. 96.
Назовите это “Астрономия за пределами видимого спектра”
В то же время, когда Кирхгоф и Бунзен были заняты развитием идей Фраунгофера, Джон Тиндаль (1820–1839), еще одна крупная фигура физики XIX века, обнаружил, что, когда луч проходит через чистую жидкость, содержащую взвесь маленьких частичек, короткие синие волны рассеиваются сильнее, чем длинные красные: чистое безоблачное дневное небо выглядит голубым потому, что частицы воздуха рассеивают синий свет сильнее, чем красный [403] .
403
Возможно, это и не совпадение, что наше зрение видит в небе чистый оттенок: мы эволюционировали в контексте нашей окружающей среды, и способность различать естественные цвета, очевидно, является одним из преимуществ в борьбе за выживание. Вместе с тем “синева” оставалась без специального внимания вплоть до самых недавних времен: огромное число упоминаний неба в Ригведе, греческом эпосе, Библии обходится без всякого называния цвета (см.: Richard M. Bucke, Cosmic Consciousness. Secaucus, N. J.: University Books, 1961, цит. в: Peter Matthiessen, The Snow Leopard. N. Y.: Viking, 1978. Р. 98). “Физики обнаружили, что рассеяние света молекулами воздуха порождает оттенок и интенсивность небесной синевы, а рассеяние частицами крупнее молекул устраняет цвет, и мы наблюдаем молочно-белое небо” (Elizabeth Wood, Science for the Airplane Passenger. Boston: Houghton Mifflin, 1968. Р. 60). Свет в морской воде становится синим, потому что вода поглощает длинные волны на глубине до 65 футов; если порезаться на определенной глубине, кровь не будет выглядеть красной (Encyclopedia Britannica, 10th edition, Meteorology. Р. 278–79).
Солнце превосходит по яркости 85 % звезд Млечного Пути (большинство из которых красные карлики), но самый яркий постоянный свет на планете вовсе не от Солнца, а от “Небесного столба” в казино “Люксор” в Лас-Вегасе: он направлен прямо в небо и питается от тридцати девяти ксеноновых ламп по 70 тыс. ватт каждая (и размером примерно со стиральную машину). Инженер комплекса объяснял, что каждую ночь перед включением главного прожектора тридцать секунд мигают специальные предупреждающие огни: “Мы не хотим застать врасплох какого-нибудь пилота” [404] .
404
National Geographic. 2001. Октябрь. Р. 33. У Лас-Вегаса и Солнца есть общее необычное свойство – изобилие неонового свечения. В 2005 году ученые обнаружили, что этот элемент, пятый по распространенности во вселенной, содержится в Солнце в троекратном относительно предыдущих оценок количестве (Natural History. Октябрь. 2005. Р. 11). Лас-Вегас, вероятно, единственное место на планете, где не рады свету и времени. “Поглощенность игрой заставляет пренебрегать такими бренностями, как лунные и солнечные циклы, – пишет Энтони Холден в классической книге о покере Big Deal. – Дневной свет в Вегасе – это настойчивый и бесцеремонный раздражитель, задерживающий появление неонового ночного света – более яркого, более красивого и гораздо более увлекательного. Ни в одном казино Вегаса вы не встретите часов – еще одна уловка менеджмента, нацеленная на ваш скорейший отрыв от реальности. Единственные часы, которым вы можете следовать в Блестящем Ущелье, – это часы вашего собственного тела… По необъяснимым причинам покеру присуща темнота. Я имею в виду, что довольно странно играть в покер при дневном свете” (Anthony Holden, Big Deal. London: Abacus, 2002. Р. 49, 120). В дебютной книге Чарльза Бока Beautiful Children. N. Y.: Random House, 2008 Лас-Вегас предстает так: “Неон. Галоген. Тягучий жидкий свет. Тысячи и миллионы ватт изливаются через буквы, изогнутые курсивом и полукурсивом, наполняя их и опустошая, а потом начиная все заново. Электрические волны излучаются поп-артовыми фасадами, по сути, меняя природу атмосферы, создавая ночь-мутант: ночь, которая не ночь, а ночной день”. Впрочем, Лас-Вегас – город не сколько тьмы, сколько зловещего света.
Но солнечный свет имеет свою мощь; на протяжении веков солдаты учились использовать эту мощь и, наоборот, защищаться от нее. Пока военные действия еще предусматривали какое-то взаимное уважение, солдаты ставили отражающие предметы рядом с ранеными, чтобы противник не стрелял. Но чаще, конечно, солнечный свет использовался в наступлении. В 1805 году во время битвы при Аустерлице Наполеон приказал своим войскам покинуть главенствующую позицию на вершине небольшого холма, уступив поле объединенной австро-русской армии. На следующее утро французские батальоны были удачно скрыты туманом, а противник красовался в ярком утреннем свете прекрасной мишенью. Семью годами позже на поле битвы у Бородина Наполеон сделал намек победителя на “солнце Аустерлица”. Он приказал кавалеристам надеть белые чулки поверх шлемов, иначе солнечные отблески позволили бы артиллерии противника найти цель на приличной дистанции [405] .
405
См.: Christopher Hibbert, The Great Mutiny: India, 1857. London: Penguin, 1980. Р. 147; Bernard Cornwell, Sharpe’s Rifles: Richard Sharpe and the French Invasion of Galicia, January 1809. London: Penguin, 1989. Р. 86.