открытию неизвестных ранее лучей. Открытие Рентгена сильно повлияло на развитие науки и в сочетании с другими открытиями заставило пересмотреть целый ряд положений классической физики.
Было открыто рентгеновское излучение. Был открыт феномен радиоактивности. Исследования глубинной структуры вещества позволили разобраться в структуре атомов, о которых когда-то говорил Демокрит. Сложные опыты показали, что атомы состоят из тяжелых ядер (для каждого типа атома — своих), несущих положительный электрический заряд, и витающих вокруг ядер легких частиц, несущих минимально возможный отрицательный электрический заряд, — электронов. Позднее удалось выяснить, что в ядрах атомов присутствуют положительно заряженные протоны (их масса примерно в 1800 раз больше, чем у электрона) и близкие к протонам по массе нейтроны — частицы без электрического заряда.
Достижения физиков были удивительны. Размер электрона оказался меньше 10−20 см (сантиметр, разделенный на сто миллиардов миллиардов частей!) Тем не менее новые научные приборы позволяли чувствовать отдельные электроны и даже давать информацию об их свойствах. Оказалось, что атомы всегда электрически нейтральны (число протонов в ядре всегда равно числу электронов, движущихся вокруг ядра). Электроны же располагаются в пространстве вполне определенным образом, формируя так называемые электронные оболочки. Выяснилось, что именно от свойств электронных оболочек зависят химические свойства того или иного атома. Удалось установить, что частицы света (фотоны) могут поглощаться электронными оболочками атомов, а энергия поглощенного света приводит к перестройке электронных оболочек. Так удалось объяснить происхождение линий поглощения Фраунгофера в спектрах и многое другое.
Сама природа света также подверглась интенсивным исследованиям. Выдающийся английский физик Джеймс Максвелл (1831–1879) построил теорию электромагнетизма. Ему удалось показать, что электричество и магнетизм неразделимы, что это две стороны одного и того же физического феномена. Все известные свойства этого феномена он описал математически, получив четыре знаменитых уравнения Максвелла. Если рассмотреть свойства решения этих уравнений, получалось нечто удивительное: свет представляет собой волну, которая распространяется сквозь пустое пространство (вакуум) с постоянной скоростью с.
Но какая именно волна распространяется? Мы знакомы с волнами на поверхности моря и понимаем, что такие волны связаны с движениями частиц воды. Но что движется в пустоте, в пространстве, где ничего нет?
Физики были вынуждены ввести понятие поля. Опыты показывали, что, например, магнит оказывает влияние (создает некую силу), воздействующее на намагниченные предметы. То же самое наблюдается и в опытах со статическим электричеством: электрический заряд действует на другие заряды (на противоположные по знаку — притягиваясь, на одноименные — отталкиваясь) на расстоянии. При этом оказалось, что сила воздействия электрического заряда убывает обратно пропорционально квадрату расстояния — как и в случае с силой тяготения.
Как действует на расстоянии, причем подчас гигантском, сила тяготения (либо электрическая, либо магнитная)? Сила как-то действует через пустое пространство. Это значит, что масса (в случае тяготения), а также электрический заряд либо магнит передают свое воздействие через само пространство. А у пространства, благодаря помещенным в него массе либо электрическому заряду, появляются дополнительные свойства. Их удалось описать с помощью понятия поля. Это означает, что каждая точка пространства обладает каким-то свойством — например, свойством притягивать или отталкивать частицу с электрическим зарядом.
Итак, решение уравнений Максвелла описывало свойства электромагнитного поля. Согласно результатам ученого, магнитное и электрическое поля должны всегда располагаться перпендикулярно как друг другу, так и направлению распространения электромагнитной волны. Если зафиксировать какую-то точку в пространстве, через которую проходит эта волна, можно обнаружить, что в этой точке электрическое и магнитное поля колеблются по закону синуса в перпендикулярных друг другу плоскостях. Эксперименты показали, что именно так все и происходит.
В уравнениях Максвелла фигурировала величина с — это некая константа, постоянная величина, имеющая размерность скорости. Собственно, это была скорость, с которой распространяется электромагнитная волна.
Замечательно, что скорость распространения электромагнитной волны с оказалась равной скорости света — 300 тысяч километров в секунду! Таким образом, подтвердилась гипотеза о том, что свет — это и есть электромагнитная волна, которая распространяется с такой скоростью[24].
Волновые свойства света были известны уже давно. В течение всего прошедшего с тех пор времени факты свидетельствовали в пользу этой теории: свет — это электромагнитная волна. Получалось, что вся Вселенная заполнена электромагнитным полем. Оно проявляется в виде электромагнитных волн, которые со скоростью света с распространяются (бегут) во все стороны от своих источников — в основном от звезд.
Почему мы говорим об этом в книге?
Во-первых, было обнаружено новое свойство мира, которые мы теперь должны учитывать: во Вселенной существует не только вещество, состоящее из атомов (а атомы — из протонов, нейтронов и электронов[25]), но и поля. Мы пока что отметили два типа известных нам полей — гравитационное, порождаемое телами, обладающими массой (а массой обладают все частицы вещества, которые нам известны), и электромагнитное, порождаемое электрическими зарядами (точнее, движущимися электрическими зарядами).
Электромагнитные волны могут быть всевозможной длины. Самые короткие волны мы называем гамма-излучением. Немного больше длина волны у рентгеновского излучения, еще больше — у ультрафиолетового. Длиннее волны у так называемого видимого излучения: его может регистрировать человеческий глаз как свечение разного цвета, от фиолетового до красного. Длина волны у инфракрасного излучения больше, чем у красного. Наш глаз уже не воспринимает такие волны, но зато мы их чувствуем кожей как тепло. Еще большей длиной волны обладает так называемое миллиметровое излучение, а дальше начинается диапазон длинных радиоволн. Все это — типы электромагнитного излучения. Чем меньше длина волны, тем большую энергию несет излучение. Наиболее энергичны гамма- и рентгеновское излучения, поэтому они могут проникать даже сквозь твердые тела.
Схема диапазонов электромагнитных волн от гамма- до радиоволн.
Итак, оказалось, что вся Вселенная наполнена электромагнитным излучением. И хотя некоторые волны не проходят из космоса сквозь атмосферу Земли[26], специальные детекторы на космических аппаратах подтверждают, что это действительно так.
Пространство наполнено не только электромагнитными волнами, но и гравитационными полями, которые создают все тела во Вселенной. Гравитационное поле довольно слабое, и поэтому нужны гигантские массы, чтобы почувствовать создаваемую этим полем силу притяжения. Мы чувствуем силу притяжения Земли, поскольку у нас под ногами (совсем близко!) громадная масса (число килограммов выражается единицей с 24 нулями). Эта масса обладает огромным тяготением — благодаря этому мы давим своим весом на пол и не можем летать по комнате. А огромная масса Солнца (единица и еще тридцать нулей, если выражать ее в килограммах) заставляет летящую со скоростью 30 км/с Землю бесконечно кружить вокруг нашего светила, не отпуская ее
