В нескольких экспериментах <…> оказалось, что на максимум освещения приходится немногим более половины тепла красных лучей; а из других экспериментов я подобным же образом заключаю, что и красные лучи не дают наибольшего тепла; максимум же тепла, возможно, лежит несколько вне видимой области разложения света. В этом случае излучаемое тепло, по крайней мере частично, если не преимущественно, состоит, если мне может быть позволено так выразиться, из невидимого света; то есть из приходящих от Солнца лучей, энергия которых такова, что не воспринимается зрением
.
В следующем, 1801 году Иоганн Вильгельм Риттер, немецкий ученый, интересы которого лежали на стыке электричества и химии, начал с того места, где Гершель остановился. Приверженный философской концепции полярности в природе Риттер предположил, что у инфракрасных лучей должен быть аналог с противоположной стороны видимого спектра. Чтобы продемонстрировать присутствие невидимых лучей и там, он вместо термометров взял хлорид серебра, субстанцию, которая, как было известно, в различной степени разлагается и темнеет, когда ее облучают лучами разных цветов. Эксперимент Риттера, как и Гершеля, был одновременно прост и остроумен: физик поместил щепотку хлорида серебра на каждую цветную полоску спектра и на неосвещенное место рядом с его фиолетовым концом и стал ждать результатов. Как он и рассчитывал, кучка на неосвещенном конце потемнела даже сильнее, чем на фиолетовой полоске. А что может быть более фиолетовым, чем фиолетовый цвет? Только ультрафиолет.
Регистрация невидимого стала научной реальностью.
Но техника наблюдений звезд не меняется за одну ночь. Первый телескоп, способный регистрировать излучение с длинами волн вне узенькой видимой части электромагнитного спектра, был построен лишь через 130 лет после описываемых событий, намного позже, чем немецкий физик Генрих Герц показал, что единственное, чем на деле отличаются различные виды света, – это энергия, которую они несут. И по сути, по природе своей, все эти виды одинаковы: радиоволны, микроволны, инфракрасный свет, «каждый-охотник-желает-знать-где-сидит-фазан», ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-радиация. Другими словами, он понял, что есть только электромагнитный спектр – симфония колеблющихся волн, каждая со своей длиной, частотой и энергией. Для астрофизика – все это энергия, все это излучение, все это свет.
___________________
Иногда свет ведет себя как поток частиц, которые мы называем фотонами, а иногда – в сущности, в нашей повседневной жизни так почти всегда и происходит – он ведет себя, как волны. Следует ли представлять свет в виде волн или частиц – старый спор: Демокрит спорил об этом с Аристотелем, Ньютон с Гюйгенсом, а согласно квантовой физике, он и то и другое. Из нее же пришел и известный термин «корпускулярно-волновой дуализм», хоть мозгам и нелегко справиться с этой концепцией. Предложить вместо «волна-частица» термин «волница» никто не догадался.
Будем пока что считать, что свет – электромагнитное излучение – состоит из волн, которые состоят из частиц. Термин «длина волны», конечно, относится к волнам – это расстояние от гребня волны до следующего гребня или от впадины до следующей впадины. Длина волны гамма-излучения меньше диаметра атома: длина самых длинных радиоволн может превышать диаметр Земли
. Чем короче длина волны, тем выше ее энергия и в широком смысле тем большую опасность представляет она для жизни в известной нам форме. И для каких бы целей, благородных или гнусных, мы ни стали бы использовать электромагнитное излучение, чем короче будет его длина волны, тем выше плотность информации, которую оно способно переносить.
Не прибегая к техническим средствам, заурядные человеческие существа видят лишь очень маленькую часть полного электромагнитного спектра – от фиолетового цвета с длиной волны примерно в четыреста нанометров до красного, длина волны которого почти вдвое больше: около семисот нанометров. Когда подумаешь о том, что весь электромагнитный спектр, измеряемый на сегодня, охватывает более двенадцати порядков величины длин волн – то есть самые длинные волны отличаются от самых коротких больше чем в триллион раз, – получается, что наше оптическое окно, где длины волн отличаются не более чем вдвое, просто микроскопическая щель, в которую мы рассматриваем мир. Но, что крайне важно для нас, максимум энергии Солнца приходится как раз на середину этой тоненькой щелки – видимой части спектра. И так как мы ведем дневной образ жизни, эволюционно разумно, что максимум регистрирующей способности наших глаз приходится на ту же длину волны.
Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи для нас невидимы, но это не значит, что они недоступны нашим органам чувств. Мы чувствуем их не глазами, а кожей. При этом инфракрасный свет ощущается в виде тепла непосредственно в момент облучения, а ультрафиолет – только после того, как наша кожа потемнеет (мы называем это загаром), а может, и покраснеет от солнечного ожога.
Земля сама по себе излучает инфракрасный свет, как и любое вещество, одушевленное или нет, молекулы которого находятся в движении, – другими словами, как все, что имеет температуру выше абсолютного нуля. Инфракрасное излучение испускают находящиеся в галактиках пылевые облака, в глубине которых формируются звезды. Ваш котенок, ваша канарейка, ваши комнатные растения, даже если они увяли, светятся инфракрасным светом. У некоторых видов змей на голове есть ямочки, чувствительные к инфракрасным лучам, исходящим от вкусной теплокровной жертвы, легко различимой ночью на фоне быстро охлаждающейся среды. Гроза гостиничной индустрии и всех туристов мира, клопы, тоже имеют инфракрасные сенсоры, указывающие им путь к ближайшему источнику теплой крови. Точно так же обстоит дело и с ультрафиолетом: летающие насекомые – в том числе мошка, моль, комары и бабочки, – а также птицы, летучие мыши, крысы и кошки прекрасно его видят.
Сам по себе факт излучения объектом в инфракрасном спектре еще не означает, что его можно легко рассмотреть при помощи инфракрасного приемника. Вы должны еще отделить вашу цель от других источников инфракрасного света, окружающих объект или вас самих. Все, что теплее своего окружения, будет выделяться на его фоне. Но если объект примерно той же температуры, что и его окружение, вы не увидите его на фоне инфракрасного «шума». Астрономы увеличивают чувствительность своих инфракрасных приемников, глубоко охлаждая их жидким азотом (77 Кельвинов) или, в самых серьезных случаях, жидким гелием (4 Кельвина). Охлаждение снижает тепловой шум самого приемника, позволяя небесным объектам выделяться более ярко. Как можно догадаться, у военного летчика задача противоположная. Если его самолет или вертолет попал в прицел ракеты, наводящейся на источник тепла, обычно он принимает меры инфракрасной маскировки, например выпускает вертящиеся факелы: они вносят инфракрасный шум в картину, которую «видит» чувствительная боеголовка, и делают горячие выхлопы двигателя неразличимыми на этом фоне.
Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи – лишь намек на множество видов «световой» энергии, которую люди не могут видеть. Дальше по электромагнитному спектру в сторону более длинных волн и низких энергий лежат радиоволны (экспериментально обнаруженные в 1880-х)
и микроволны (уменьшительная приставка «микро» связана с тем, что их в 1964–1965 годах считали разновидностью очень коротких радиоволн); в противоположном направлении от оптических лучей в области коротких длин волн и высоких энергий лежат рентгеновские лучи, открытые в 1895 году, и гамма-лучи, обнаруженные в 1900 году. Хоть мы и даем обозначения определенным полосам длин волн, электромагнитный спектр един и непрерывен, образуя так называемый континуум. Цивилизация использует отдельные участки этого континуума. В каждую секунду ваше тело пронизывают радиоволны от сотен радиостанций AM, FM и ХМ-диапазонов. Ваш смартфон принимает микроволновые сигналы от ретранслятора вашего мобильного оператора, а для того, чтобы на экране смартфона появилась нужная вам карта, он должен – снова посредством микроволн – связаться с GPS-спутником у вас над головой. Вы получаете освещение от электрической лампы, и если это лампа накаливания, то она освещает вас не только видимым, но и инфракрасным светом. И, наконец, вся Вселенная погружена в древний, неиссякаемый, всепроникающий океан микроволнового излучения – космического микроволнового фона, наследства Большого взрыва.
