Законы Вселенной: от атома до галактик

Цветной мир

Все мы знаем, что цвета разных предметов или объектов так или иначе связаны с падающим на них светом. Осенний закат способен придать окружающему миру красноватые тона, хотя в полдень мы наблюдали вполне обычную картину.

Вплоть до 1670 года ни учёные, ни обычные люди не могли понять, отчего все тела имеют окраску. Высказывались разные предположения, вплоть до того, что цвет есть некая неизменная характеристика, и помидор даже в темноте будет красным.

Однако благодаря Ньютону было открыто одно из важных свойств света: он состоит их разных потоков энергии, то есть волн (хотя они же способны вести себя и как частицы). Эти волны не тождественны: некоторые замедляются сильнее остальных, попадая в вещество, а некоторые и вовсе отражаются. И вот как раз от того, какие именно элементы луча света смогут пройти через объект, а какие отразятся, и будет зависеть цвет, воспринимаемый нами.

Забегая вперёд – зелёные листья растений содержат вещество, хлорофилл, который активно участвует в фотосинтезе и тем самым является залогом выживания растительного мира. Но всегда ли он зелёный? Ответ будет скоро.

Каждое вещество в мире имеет три основных показателя, влияющих на цвет: это коэффициент отражения r, коэффициент пропускания t и поглощения а. И если, например, тело хорошо пропускает красный (значение t высоко), а отражает лучше всего зелёный (большое значение r), то… На просвет зелёное тело будет казаться красным. Да, так ведёт себя хлорофилл, если его растворить в спирте.

Кстати, из этого же следует очень интересная особенность. Можно ли создать фонарик, который будет светить синими лучами? Да легко, найдя соответствующий материал, через который будем пропускать лучи. Но почему нельзя создать чёрный? Направил его на человека – и всё, он уже ничего не видит и готов сдаваться.

Дело в том, что чёрный цвет присущ телам, которые имеют большой коэффициент поглощения, и малые – отражения и пропускания. Они попросту «забирают» себе энергию большинства составляющих светового потока и тем самым как бы гасят его. Так что чёрный фонарик смело можно записывать в раздел «городских легенд». Зато теперь понятно, почему в солнечную погоду ходить в чёрной одежде немного тяжеловато.

Почему небо… чёрное?

Вопрос, почему дневное небо голубое, волнует не только детей. Вплоть до прошлого века существовала схожая проблема, но связанная с другим временем суток. Поиск её решения занял не один год: почему ночью небо чёрное?

Казалось бы, странный вопрос. Ночью Солнце находится в другой стороне от нас, в новолуние светят только звёзды, которые далеко. Но это слабое объяснение. Если вообразить Вселенную как существующий вечно, не расширяющийся объект, то напрашивается вывод: куда бы мы ни посмотрели, на линии взгляда всегда окажется звезда! Из нашей Галактики или из соседней, нет разницы, потому что пространство бесконечно и значит, в нём бесконечное множество светил. Которые, между прочим, могут обладать умопомрачительной яркостью и температурой.

Простые вычисления показывают, что в подобной ситуации на небе в тёмное время суток было бы не просто видно бескрайнюю россыпь светлых точек. Небо могло стать очень ярким, будто на каждом его участке зажглась копия привычного нам полуденного Солнца.

Но этого не происходит. Самое простое объяснение: нас загораживают от остальной части Вселенной протяжённые облака пыли. Такие облака существуют, тянутся на множество световых лет, скрывая целые куски звёздных скоплений. Но и здесь решения искать нельзя: если бы облака поглощали весь свет, они бы сами нагрелись и стали излучать, только внося свою лепту в яркость ночного неба.

Оказалось, что решение кроется в самом понимании существования Вселенной: она имеет конечный возраст, а свет распространяется с конечной скоростью. Мы видим только тот участок… всего, что образовался 15 миллиардов лет назад, от остальных секторов бесконечности свет просто не дошёл до нас, и вряд ли скоро дойдёт. К тому же, стоит знать об особенностях жизни звезд: некоторые в видимой нам части уже отжили своё и прекратили светиться, а некоторые просто ещё не зажглись. Зная примерное расстояние между галактиками, нетрудно посчитать, что в зависимости от направления нашего взгляда на некоторых участках просто нельзя увидеть звезды – их там нет на протяжении всего наблюдаемого пространства.

Как видите, многие вопросы кажутся наивными только на первый взгляд и помогают лучше понять мироздание.

Преодолеваем скорость света (на самом деле, нет)

Наше воображение порой подсказывает такие вопросы и эксперименты, что приходится долго искать объяснение получившимся выводам. Вот например, давайте себе представим такую ситуацию: у нас имеется некий длинный шест, очень длинный, который мы протягиваем от Земли до ближайшей звезды. Расстояние, напомню, там очень большое, и даже свет проходит его почти за 4 года. Не буду писать точное число, а лишь попрошу читателей прикинуть и подумать, сколько это в километрах, если только за секунду свет пробегает 299 792 458 метров.

Затем мы берём за один конец этого шеста и решительно поворачиваем на 45 градусов. В результате, как нам кажется, противоположный конец шеста за какую-то секунду прошёл по дуге расстояние, которое свет преодолевает годами. Ура, скорость света не предел, пора оформлять заявку на Нобелевскую премию!

Но не спешите радоваться. Давайте посмотрим на этот процесс вот с какой стороны.

В природе есть явление, называемое деформацией – это изменение формы тела, изменение положения его молекул под действием одной или нескольких сил. За примером ходить далеко не надо, когда вы усаживаетесь на диван, то ваш вес является причиной деформации поверхности. И, что самое важное, движения!

Когда шест начинает поворачиваться, то волна деформаций позволяет ему продолжить движение. От нашей руки «распространяется» усилие, которое сдвигает всё новые и новые слои молекул, при этом один из них, условно говоря, подцепляет другой.

Но скорость прохождения волны деформаций по любому твёрдому материалу никогда не превосходит скорости звука! Так уж устроены молекулы и атомы, такова природа связи внутри тела.

Со стороны наш эксперимент с межзвёздной палочкой будет выглядеть следующим образом: вы уже сделали поворот, но шест изогнулся и бОльшая его часть по прежнему прямая. Понадобиться очень много времени, чтобы деформации прошли по всей поверхности и в результате передвинули конец, надёжно оставленный у ближайшей звезды. Причём, это событие произойдёт не через 4 года, а позже. Всё потому что скорость звука в материале, а значит и «распространение» усилия примерно в 299 792 раза медленнее света. Это весьма грубая оценка, но, надеюсь, понятная.

Законы Вселенной не обойти…