Александр Штейнгауз - Девять цветов радуги

Тело, пропускающее без поглощения все лучи проходящего сквозь него света, называется идеально прозрачным.

Тело, целиком поглощающее падающие на него лучи света, называется идеально черным.

В природе не существует ничего идеального. Нет и таких тел, которые полностью отвечали бы приведенным определениям, но зато есть очень много тел, которые довольно близки к ним. Так, некоторые химические соединения отражают до 98 процентов света; не слишком толстые слои стекла или горного хрусталя в широком диапазоне световых волн почти идеально прозрачны; некоторые сорта черного бархата поглощают до 99,7 процента падающего света.

Приведенные определения вряд ли у кого вызовут возражения, хотя бы потому, что они нисколько не противоречат повседневному опыту. Основываясь на этом опыте, мы привыкли считать белым то тело, которое излучает много света, а черным — не излучающее вовсе.

Солнце — ослепительно белое, а отверстие в закопченной печной трубе — ослепительно черное.

На первый взгляд кажется, что наше житейское понимание белого и черного нисколько не отличается от физического. Но на самом деле такое противоречие есть. В обиходе мы не замечаем его потому, что не совсем правильно пользуемся глаголами «отражать» и «излучать». Часто подменяем один из них другим, не видя особой разницы. А она с точки зрения физики имеет принципиальное значение.

И каждому из этих слов физика приписывает совершенно определенное действие.

Отражать — значит отбрасывать назад, вовне, лучи некоторого постороннего источника света, падающие на поверхность тела. При идеальном отражении температура тела не изменяется, не изменяется и запасенная в этом теле тепловая энергия.

Излучать — означает отдавать вовне путем испускания лучей собственную энергию. При излучении температура тела, его запасы тепловой энергии уменьшаются. Для того чтобы излучение не прекращалось, необходимо восполнять эту убыль энергии, а для этого требуются какие-то источники энергии. Например, электрическая батарея для лампочки в карманном фонаре или ядерные реакции на Солнце.

Что же в таком случае означает глагол «поглощать»?

С точки зрения энергетической поглощение следует понимать как действие, обратное излучению.

При поглощении энергия тела увеличивается, а при излучении, наоборот, уменьшается.

Таким образом, идеально белое тело в определенных условиях не поглощает и не излучает энергии. То же можно сказать и об идеально прозрачном теле. Зато идеально черное тело, являясь наилучшим поглотителем лучистой энергии, оказывается в то же самое время и наилучшим ее излучателем.

С непривычки такое утверждение может показаться ошибочным. Но это твердо установленный наукой факт. Еще более странным покажется читателю утверждение, что Солнце тоже черное тело. Но, если вдуматься в точное определение черного тела, такое утверждение постепенно перестанет казаться парадоксальным. Ведь оно в понимании физиков означает лишь одно: если на Солнце попадают лучи от каких-либо внешних источников света, то есть от всех других звезд, эти лучи не отразятся от него, а будут полностью им поглощены.

Почему же все мы не видим Солнце черным, но в то же время не можем вынести его ослепительных лучей?

Только потому, что в солнечной массе выделяется фантастически большое количество энергии и эта энергия излучается Солнцем вовне.

Примерно 14 процентов всей солнечной радиации приходится на долю видимого света. Он-то и ослепляет нас. Именно благодаря ему Солнце воспринимается нами как белое. Но это нисколько не противоречит определению, данному физикой для черного тела, ведь в нем говорится лишь о поглощении падающих лучей, но не об излучении собственных. Вот и получается, что черное тело может ярко светиться и быть белым, но при этом оно обязательно должно поглощать все лучи, падающие на него от посторонних источников света.

Разницу в излучениях нагретых тел — белого, прозрачного и довольно темного — вы можете проверить сами. Для этого разогрейте в пламени газовой горелки стальной гвоздь, кусок алюминиевой проволоки и кусок стекла. Ярче всего будет светиться сталь, а алюминий и стекло — едва заметно.

Мы уже говорили, что в природе не существует ни идеально черного, ни идеально белого. Но ученые для научных целей все же создали прибор, обладающий свойствами идеально черного тела. Он так и называется в физике — «черное тело». Его конструкция представляет собой металлический полый шар или цилиндр с небольшим отверстием. В промежутках между двойными стенками шара или цилиндра заложены электронагревательные элементы. Поверхность внутренней полости черного тела для лучшего поглощения падающих лучей иногда чернят и делают шероховатой.

Роль собственно черного тела играет отверстие в шаре. Как известно, черное тело поглощает все падающие на него лучи. Именно такое же действие производит отверстие. Посмотрите на чертеж прибора, и вы убедитесь в том, что луч, прошедший в отверстие извне, уже не вернется назад. Он «запутается» во внутренней полости шара. Претерпевая многократные отражения от стенок шара, он при каждом из них будет частично поглощаться и в конечном счете поглотится ими полностью.

Ход луча света в полости «черного тела». При каждом отражении от внутренней стенки часть света поглощается, и в конце концов стенки поглощают весь свет.

Зрачок нашего глаза кажется черным именно по этой же причине. Тем же объясняется и то, что днем окна домов кажутся снаружи черными.

Мы не зря уделили столько времени объяснению свойств черного тела. Это было необходимо потому, что исследование законов его излучения привело ученых к чрезвычайно важным открытиям. Эти и некоторые другие факты заставили ученых снова (в который раз!) пересмотреть свои воззрения на природу света.

Во-первых, стало известно, что спектр излучения черного тела непрерывный, то есть содержит колебания со всеми возможными длинами волн.

Во-вторых, эти опыты показали, что, хотя спектр излучения и непрерывный, мощность, излучаемая на разных частотах (длинах волн), различна: она максимальна внутри диапазона частот (волн) и практически падает до нуля к его краям. При этом частота, на которой имеется максимум излучения, тем больше, чем выше абсолютная температура.

В-третьих, оказалось, что суммарная мощность излучения черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры.

Экспериментальные данные были многократно проверены и ни у кого не вызывали сомнения. Однако, когда были сделаны попытки теоретически объяснить эти явления и найти формулу для их количественного выражения, ученые столкнулись с непредвиденными и, как оказалось, принципиальными трудностями. Все эти трудности сводились к тому, что теоретические выкладки, сделанные на основе столь хорошо зарекомендовавшей себя классической теории, совершенно не соответствовали фактам. Из этих выкладок следовало, что вся энергия черного тела должна была бы излучаться в виде коротковолнового излучения.