В океане электрических волн

"Все живое стремится к цвету", - говаривал Иоганн Вольфганг Гёте. Стремится с незапамятных времен, стремится упорно и изобретательно, выдумывая все новые и новые краски, чтобы перенести на творения своих рук цвета природы. Можно написать увлекательную историю красок, и это будет не история одной из отраслей химии, а история человеческих страстей, полная истинной поэзии и драматизма.

На первых ее страницах мы увидим наших далеких предков, догадавшихся пустить в ход железистые охры и учредивших на радостях Праздник Красной охры. Мы увидим римских рабов, ныряющих за улитками-багрянками и добывающих из них драгоценный пурпур, которым окаймлены тоги сенаторов. Мы познакомимся с алхимиком Лоренцо Пика, который в поисках философского камня нечаянно открыл термокраски, меняющие свой цвет от нагревания. То-то бы удивился брат Лоренцо, если бы ему сказали, что краски эти пойдут когда-нибудь не на чудодейственные иконы, а на двигатели и станут сигнализировать людям об опасном перегреве машин! А вот и славяне, собирающие в лесу корни, на которых копошатся червецы, из червецов они сварят червень, роскошную багряную краску, не уступающую, пожалуй, и кошенили; кошениль тоже приготовляют из насекомых, обитающих совсем в другой части света, в Мексике, на кактусах. Но дороже всех не червень и не кошениль, а бессмертная лазурная краска, ее получают из лазурита, камня священного, пользующегося особым расположением богов.

А вот и первый консул Наполеон Бонапарт. Он в бешенстве: проклятые англичане блокировали Францию, и прекратился ввоз самой синей из синих красок, а синий цвет - цвет армии. Национальное бедствие! Миллион франков тому, кто изобретет такую же синюю краску, как индиго! Гражданин Бонапарт, то есть, простите, ваше императорское величество, употребите миллион на прорыв блокады: лишь через сорок лет синтезируют анилин, сделает это профессор Зинин из Казани, и лишь через сто лет синтетический индиго одержит верх над природным...

Многие страницы истории красок написаны кровью; это история тяжких трудов и поэтических верований, холодного расчета и счастливых открытий, несметных богатств, приключений, разочарований, упорства. Не верьте, если вам скажут, что цвет - лишь отражение! Но вы и не питали иллюзий: торговля, фабрики, ткани, драгоценности - какие уж тут оптические фокусы!

Загляните в историю оптики и физики света, она невозмутима лишь издали. На первой же ее странице разыгрывается Драма в масштабе целого государства. Юный фараон Аменхотеп IV, супруг несравненной Нефертити, после долгих раздумий решает, что свет исходит не из глаз бога Амона, а от животворящего Солнца, повелевает всем поклоняться Атону - солнечному диску, слагает гимны в честь нового бога ("Ты далек, но лучи твои на земле...") и меняет имя Аменхотеп на Эхнатон - Угодный Атону. В Фивах смута, волнение, жрецы клянут фараона-вероотступника, и юный богоборец угасает во цвете лет, а в Фивах воцаряются фараоны, любезные Амону и жрецам.

Да, все-таки свет исходит, из глаз, не божественных, правда, а людских, но из глаз, ибо нет у них отверстий, куда свет входил бы, как звук в ухо. Глаза испускают лучи, лучи ощупывают предметы, и мы их видим. Так полагает великий философ Платон. Однако в области природы Платон более поэт, нежели ученый, и Аристотель не согласен со своим учителем: свет приходит извне. Но интереснее всего рассуждают греческие атомисты Левкипп, Демокрит и Эпикур, учитель Лукреция Кара, римского поэта, догадавшегося, как мы воспринимаем запахи. От всех тел происходит мгновенное истечение образов; воздух, лежащий между глазом и предметом, получает отпечаток, уплотняется и, приняв определенный цвет, отражается во влаге глаза. Цвета в природе нет, это "все мнение", возникающее в глазу благодаря "соприкасанию, очертанию и повороту" атомов. Демокрит устанавливает четыре основных цвета - белый, черный, красный и желтоватый, всё остальное их смесь, сами же они зависят от формы: белый - от гладкой, как нутро раковины, черный от пористой и шероховатой, красный - от сферической, присущей всему теплому и горячему.

Сколько в этих словах гениальной прозорливости! Воистину греки успели догадаться обо всем. Тут зачатки и атомной физики, и стереохимии (а в замечании Демокрита: "Люди произошли из воды и ила" - даже современного учения о происхождении жизни!). Но все это лишь догадки. Пройдет две тысячи лет, прежде чем Галилей решит, что свет - это поток тончайших частиц, движущихся с конечной скоростью, Ньютон разложит свет и попытается объяснить цвет каждого луча величиной этих частиц, а Гук обрушится на его "Ме-муар" сокрушительной рецензией - уже разгорается война между корпускулярной и волновой теориями света. Ньютон в конце концов одерживает победу, его авторитет непоколебим, но на горизонте уже сгущаются тучи. Свет - это волны, решительно утверждает Гюйгенс. Ломоносов и Эйлер тоже оспаривают Ньютона, а Юнг и Френель объясняют и дифракцию, и интерференцию, и разницу в цветах волновой природой света.

В 1865 году происходит великое событие в истории физики: Максвелл связывает в своих знаменитых уравнениях электрическое и магнитное поля и устанавливает, что колеблющееся электрическое поле распространяется в виде волн со скоростью света. Свет - это распространение электромагнитных колебаний! Но что же все-таки колеблется, что служит носителем волн? Колеблются, как говорят физики, напряженности электрического и магнитного полей, а носителем служит само пространство, находящееся как бы в натяжении.

Все ясно, все просто, не так ли? Но отчего смущены сторонники теории колебаний, отчего заколебалась и сама эта теория? Она не может объяснить одно загадочное явление: отчего свет рождает ток, "выбивая" из металла электроны? Это явление, именуемое фотоэлектрическим эффектом, объясняет Эйнштейн, используя понятие кванта, то есть порции, введенное Планком. Корпускулярная и волновая теории неожиданно примиряются в новейшем толковании: свет - это волна, но его действие на любое вещество "квантовано", он действует так, словно луч состоит из корпускул - частиц одного размера. Это и есть порции света - фотоны.

Битва притихает, но двоякую природу света постигают не сразу. Труднее всего отрешиться от привычных представлений: либо волна, либо частица. Но как это так - и волна и частица? Сам Эйнштейн недолюбливает слово "квант", применяет кванты лишь "по необходимости" и всю жизнь скептически относится к квантовой теории. Неспроста он спросил однажды своего вечного оппонента Бора: "Так что же такое свет?" На что Бор ответил ему: "Обратитесь к немецкому правительству, и пусть оно либо издаст постановление, что свет - это волна, и запретит пользоваться фотоэлементами, либо же, что свет - это корпускулы, и тогда запретит пользоваться дифракционными решетками".

Всюду драма, драма идей, как говорил Эйнштейн. Обе теории света противостояли друг другу, как два борца. По мере развития физики на первый план выдвигались то волны, то частицы. Современная квантовая электродинамика примирила обе точки зрения: волна, действующая порциями, квантами. Но что скажут физики через несколько лет?

Однако остановимся на том, что свет - это колебания, имеющие определенную длину волны. В безбрежном океане электромагнитных волн, к которым принадлежат и радиоволны, и рентгеновы лучи, и ультрафиолетовые лучи, и инфракрасные, мы с вами различаем крошечный участок - область волн с длиной от 400 до 800 миллимикрон. Пчелы, говорят, видят и ультрафиолетовые лучи, человек их не видит, но зато их воспринимают созданные человеком приборы.

Если белый цвет, в котором смешаны все видимые волны, отражается предметом, мы видим предмет белым, если не отражается совсем, а поглощается, видим черным, если же, наконец, проходит через предмет (поглощаются ультрафиолетовые или инфракрасные лучи), то предмет становится прозрачен.

Но вот предмет поглотил часть видимых лучей. Тотчас он приобрел окраску. У него цвет тех лучей, которые он отразил. Поглотил красные и стал зеленым, поглотил зеленые - стал красным. Все это понятно, но мы пока находимся на поверхности предмета. А почему он поглощает одни лучи, другие же отражает? И куда деваются поглощенные лучи? Тут мы вспоминаем, что свет не только волны, но и частицы, фотоны, а фотон обладает хоть ничтожной, но все-таки энергией.

Предмет состоит из атомов, в атомах есть электроны, и находятся они, как говорят физики, на разных энергетических уровнях. Если электрону добавить лишнюю энергию, он может "взлететь" на более высокий уровень. Но для этого нужно ровно столько энергии, сколько составляет разность между двумя уровнями вещества. Если его энергия совпадает с разностью, электрон взлетает, а фотон поглощается. Если нет, вещество "отказывается" от фотона и отражает его или пропускает через себя. Таким образом, цвет вещества связан с расстояниями между энергетическими уровнями электронов.

Взлетевшие, или возбужденные, электроны отдают полученную энергию и возвращаются на место. Чаще всего энергия эта превращается в тепло, оттого и нагреваются предметы, поглощающие все лучи. Энергия может пойти и на химическую реакцию. Хлорофилл поглощает красные лучи (оттого он и зеленый), и происходит фотосинтез углеводов. Может она и вновь обратиться в фотоны, правда с меньшей энергией. Тело, освещенное ультрафиолетовыми лучами, будет тогда светиться - флуоресцировать.