Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

В каком-то смысле волны очень просты. После возникновения волны она начинает куда-то двигаться. Прекращение движения означает конец ее существования. О каких бы волнах ни шла речь – звуковых, океанских или световых, – они могут отражаться, преломляться или поглощаться средой, в которой движутся. Вся наша жизнь проходит посреди этого сложного переплетения волн. Анализируя его, мы получаем представление о своем окружении. Наши глаза и уши настроены на происходящие вокруг нас колебания, которые являются носителями двух очень важных «предметов потребления»: энергии и информации.

В пасмурный холодный зимний день поджаренный, хрустящий, аппетитный ломтик хлеба способен значительно поднять настроение. Единственная проблема – это удовольствие не находится «на расстоянии вытянутой руки», тост еще нужно приготовить, а для этого требуется время. Обычно я ставлю на огонь чайник, затем кладу ломтик хлеба в тостер, а потом начинаю нетерпеливо мерить шагами кухню в ожидании, пока мое любимое лакомство будет готово. Сполоснув кипятком чашку и заварочный чайник и расчистив на кухонном столе место для трапезы, я заглядываю в тостер, чтобы выяснить, на какой стадии находится приготовление тоста. Вообще, тостеры нравятся мне потому, что позволяют непрерывно контролировать процесс, убеждаясь в том, что нагревательные элементы накалились докрасна. Они не только нагревают воздух, контактирующий с ними, но и излучают световую энергию. И это сияние служит своего рода встроенным термометром. Вы можете определить, насколько сильно раскалился нагревательный элемент, по его цвету. Ярко-красный цвет нагревательного элемента говорит о том, что температура внутри тостера достигла 1000 ℃. Это очень высокая температура. Во всяком случае достаточная для того, чтобы расплавить алюминий или серебро. Но если нечто накалилось до ярко-вишневого цвета, значит, температура этого «нечто» достигла 1000 ℃. Другие цвета свидетельствуют о других температурах. Это правило вытекает из самого механизма действия Вселенной. Если взглянуть на горящую груду угля, то можно заметить, что внутри нее горящий уголь светится ярко-желтым цветом. Это свидетельствует о том, что температура внутри этой груды достигла 2700 ℃. Предмет, накалившийся добела, разогрет до температуры порядка 4000 ℃ или даже больше. На первый взгляд это может показаться странным. Какое отношение цвет имеет к температуре?

Заглядывая внутрь тостера, я наблюдаю за превращением тепловой энергии в световую. Одна из самых элегантных особенностей действия механизма Вселенной заключается в том, что любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, постоянно преобразует часть своей энергии в световые волны. А свет должен пребывать в движении, поэтому световая энергия, создаваемая объектом, излучается в окружающую среду. Нагревательный элемент, накалившийся докрасна, преобразует часть своей энергии в световые волны красного цвета, расположенные на длинноволновом краю спектра. Но б о льшая часть излучаемой нагревательным элементом энергии характеризуется еще большей длиной волн; их мы называем инфракрасными. Инфракрасные световые волны в принципе ничем не отличаются от видимого света, за исключением большей длины волны. Их можно обнаружить лишь косвенным способом, ощутив тепло в том месте, где происходит их поглощение. Хотя инфракрасные световые волны невидимы, в тостере они играют важную роль, ведь именно они нагревают тост.

Горячие объекты на одних длинах волн испускают больше света, чем на других. При любой температуре существует некая пиковая длина волны, на которую приходится львиная доля свечения, причем излучаемый свет ослабевает по обе стороны от этого пика. Тостер выдает большую порцию инфракрасного света и в качестве дополнения – видимый красный свет. Поэтому я вижу красное свечение. Я не вижу свет, который действительно поджаривает мой хлеб, но я вижу «хвост» от более длинных волн – красный свет.

Если бы у меня был супертостер, который мог бы разогреваться до более высоких температур, например до 2500 ℃, то его нагревательные элементы раскалялись бы до желтого цвета, потому что объект, нагретый до более высоких температур, излучал бы свет с более короткими длинами волн, в результате чего видимый «хвост» включал бы большее число цветов радуги: красный, оранжевый, желтый и чуть-чуть зеленого. Когда мы видим и красный, и зеленый свет вместе, то воспринимаем его как желтый. Лишь объект, нагретый до такой температуры, излучал бы свет именно в этом диапазоне спектра. А если температуру еще повысить (то есть, если бы у меня был гипертостер, который бы разогревался до температуры порядка 4000 ℃), то излучаемый свет включал бы все цвета радуги – вплоть до синего. А наблюдая сразу все цвета радуги, мы видим белое свечение. Таким образом, объект, раскаленный добела, в действительности излучает все цвета радуги, но они перемешаны между собой. Недостаток такого гипертостера – он расплавится в процессе работы независимо от того, из какого материала изготовлен. Но зато он очень быстро поджаривал бы ваши тосты. А заодно и вашу кухню.

Таким образом, тостер – это устройство, генерирующее волны. Видимые вами волны красного света – только часть волн, излучаемых в процессе накаливания его нагревательного элемента. Инфракрасные волны, которые вы не можете видеть, поджаривают ваш тост. Именно поэтому ломтик хлеба в тостере приобретает хрустящую коричневую корочку лишь на поверхности. Только поверхностный слой хлеба, в который проникает инфракрасный свет, способен его поглощать и разогреваться. Причина, почему мне нравится наблюдать за процессом приготовления тоста в тостере, проста: в это время я рисую в своем воображении инфракрасный свет, излучаемый нагревательным элементом. Я не могу его видеть, но знаю, что именно он создает хрустящую коричневую корочку на ломтике хлеба. Видимый мною красный свет – своего рода бесплатное приложение к подлинному «виновнику торжества».

Но, разумеется, здесь есть одна загвоздка. Проблема с таким методом генерации световых волн в том, что вы всегда получаете один и тот же их набор. У вас нет возможности выбрать именно те волны, которые вам нужны, и отфильтровать остальные. Горящий уголь, светящийся оранжевым цветом, расплавленная сталь и какой-либо другой материал, нагретый до 1500 ℃, должны испускать излучение с одним и тем же сочетанием длин волн, то есть цветов света. Таким образом, можно измерить температуру какого-либо объекта по его цвету при условии, что этот объект нагрет до такой степени, что вы можете видеть, как изменяется его цвет при изменении температуры. Температура на поверхности Солнца равна примерно 5500 ℃. Именно поэтому мы воспринимаем исходящий от него свет как белый. Вообще говоря, это единственная причина, по которой мы можем видеть звезды на ночном небе. Их температура настолько высока, что свет излучается с их поверхности и пронизывает Вселенную. Их свечение имеет определенный цвет, который позволяет судить о температуре звезд.