В давно угасшем монотеистическом культе, созданном древнеегипетским фараоном Эхнатоном, объектом поклонения являлось солнце, а его свет почитался взором божества. В те времена считалось, что зрение – своего рода эманация, исходящая из глаза. Взгляд представлялся чем-то вроде радара. Он простирается вперед и касается предметов в поле зрения. Солнце – в отсутствие которого почти ничего не видно, кроме звезд, – ласкает, освещает и согревает долину Нила. С учетом тогдашнего уровня научных знаний и царившего при Эхнатоне культа солнца вполне естественно было представлять свет как взор бога. Сегодня, 33 столетия спустя, я воспользуюсь гораздо более прозаическим сравнением, которое, однако, значительно точнее объясняет физику света.

Представьте, что вы принимаете ванну. Кран подтекает. Скажем, каждую секунду в ванну падает капля. Она порождает маленькую волну, распространяющуюся во все стороны красивым правильным кольцом. Достигнув стенки ванны, волна отражается от нее и движется обратно. Отраженная волна слабее исходной, и после одного-двух отражений ее уже невозможно разглядеть.

С каждой каплей в дальнюю часть ванны, где находитесь вы, приходят все новые и новые волны. Резиновая уточка поднимается и опускается всякий раз, как под ней проходит фронт волны. Ясно видно, что на гребне волны уровень воды чуть выше, а во впадине за гребнем – ниже.

«Частота» волн – это число, показывающее, насколько часто волны проходят через контрольную точку. В нашем примере – одна волна в секунду. Поскольку каждая капля порождает волну, частота волн равна периодичности падения капель. «Длина» волны – это расстояние между гребнями двух последовательных волн. Примем его за 10 см. Если волны пробегают по воде каждую секунду, а расстояние между ними 10 см, то скорость волны равна 10 см/с. Нетрудно сделать вывод, что скорость волны есть частота, умноженная на длину волны.

Волны – что в ванне, что в океане – являются двумерными. Они распространяются от источника по поверхности концентрическими кругами. Звуковые волны – трехмерные и распространяются в воздухе во всех направлениях от источника звука. В гребне волны воздух слегка уплотняется, во впадине разрежается. Наше ухо улавливает эти колебания. Чем быстрее они происходят (чем выше их частота), тем более высоким кажется звук.

Музыкальный тон не более чем последовательность звуковых волн, поступающих в ваше ухо с определенной частотой. Нотой «до» третьей октавы мы называем 263 звуковые волны в секунду, на языке науки – колебания с частотой 263 герца. Какую длину волны имеет «до» третьей октавы? Иначе говоря, если бы мы могли видеть звуковые волны, как далеко, на наш взгляд, отстояли бы гребни двух последовательных волн? На уровне моря звук распространяется со скоростью примерно 340 м/с (около 1120 км/ч). Вспомнив расчет из нашего примера с ванной и каплями, вычислим длину звуковой волны, разделив ее скорость на частоту. Для «до» третьей октавы она составит около 1,3 м, что сопоставимо с ростом девятилетнего ребенка.

Научные истины порой пытаются опровергнуть с помощью парадоксов, например: «Но что есть "до" третьей октавы для человека, глухого от рождения?» То же, что и для любого из нас: 263 Гц – частота, соответствующая только этому тону и никакому другому. Даже не имея возможности слышать, вы однозначно опознаете его с помощью усилителя низкой частоты и осциллографа. Разумеется, это не то же самое, что восприятие звука привычным для нас образом, – придется положиться на зрение, а не на слух, – ну и что? Вы все равно получите всю необходимую информацию. Сможете различить аккорды, почувствовать разные способы звукоизвлечения, ощутить разницу тембров и соотнести этот опыт с другими случаями, когда «слышали» ноту «до» третьей октавы. Электронное отображение звука не вызывает того же эмоционального отклика, как слуховое восприятие, хотя и это, возможно, лишь вопрос опыта. Не станем ссылаться на гениального Бетховена. Любой из нас и при полнейшей глухоте все-таки может воспринимать музыку.

Так же решается старая головоломка: если дерево падает в лесу, где некому услышать звук падения, есть ли он вообще, этот звук? Очевидно, если бы мы определяли звук как нечто такое, что кто-либо слышит, то по определению дерево упало бы беззвучно. Но это ничем не оправданный антропоцентризм. Ясно, что, если дерево падает, значит, оно порождает звуковые волны, и их легко зафиксировать, например записать на магнитофон, а затем воспроизвести и, прослушав, безошибочно определить как звук падения ствола в чаще леса. Тут нет никакой мистики.

Однако человеческое ухо – несовершенный детектор звуковых волн. Слишком низкие (менее 20 колебаний в секунду) частоты мы не улавливаем, а киты общаются именно на этих частотах. Все, что выше 20 000 колебаний в секунду, мы тоже неспособны различить в отличие от собак, которые отзываются на команды, подаваемые ультразвуковым свистком. Огромные звуковые диапазоны – например, миллионы колебаний в секунду – никогда не будут доступны непосредственному человеческому восприятию. Наши органы чувств, при всем совершенстве, имеют принципиальные физические ограничения.

Для человека естественно общаться посредством звуков. Безусловно, так общались наши древние предки-приматы. Мы социальные животные и зависим друг от друга. Наш дар общения – это жизненная необходимость. Несколько миллионов лет с беспрецедентной скоростью развивался наш головной мозг, в том числе особые отделы коры, отвечающие за устную речь, что способствовало бурному расширению словарного запаса. Мы все больше могли выражать с помощью звуков.

Для древних охотников и собирателей язык стал незаменимым инструментом планирования повседневной деятельности, обучения детей, укрепления дружбы, предупреждения сородичей об опасности и задушевного общения, когда люди собирались у костра, созерцали звезды и обменивались опытом. Со временем мы изобрели письменность, научились переносить мысли на бумагу, и они звучат в голове читающего так же ясно, как если бы он слышал голос автора. В последние тысячелетия это умение стало настолько повсеместным, что мы и не осознаем, какое это чудо.

В действительности речь является опосредованным способом коммуникации. Произнося слова, мы создаем звуковые волны, которые распространяются в воздухе со скоростью звука. С утилитарной точки зрения такое взаимодействие можно считать непосредственным. Его недостаток заключается в том, что слышно нас не так уж и далеко. Лишь очень немногие способны вести связный диалог с собеседником, находящимся хотя бы в сотне метров.

Еще сравнительно недавно плотность населения Земли была очень низкой. Общаться на расстоянии больше 100 м не было необходимости. К человеку приближались с целью общения только члены его кочующей семейной группы. Редкие попытки чужаков подойти близко чаще всего вызывали враждебную реакцию. Этноцентризм – убеждение в превосходстве своей маленькой группы над всеми прочими – и ксенофобия – страх чужого, воплощенный в максиме «сначала стреляй, потом окликай», – глубоко коренятся в человеческой природе. Это никоим образом не особенность человека. Точно так же ведут себя все обезьяны и прочие приматы, не отстают от них и многие другие млекопитающие. Эти реакции вполне объяснимы и даже естественны в силу того, что речевое общение возможно лишь на близком расстоянии.

При длительной изоляции двух групп постепенное накопление различий сильно отдаляет их друг от друга. Например, чужие воины носят шкуру оцелота на плечах, а не орлиные перья на голове, которые, как здесь всякому известно, отличают прямодушного, высокодуховного и продвинутого воина. Их язык со временем становится непохожим на наш, их боги принимают странные имена и начинают требовать экстравагантных церемоний и жертвоприношений. Изоляция – мать разнообразия, а при малой численности человечества и ограниченных контактах между группами изоляция неизбежна. Род человеческий – произошедший от одной малочисленной стаи гоминид в Восточной Африке несколько миллионов лет назад – широко распространился, рассеялся, стал разнородным, и все мы превратились в чужаков.

Лишь недавно возникла противоположная тенденция. Рассыпавшиеся осколки нашего рода вновь сближаются, заново узнают друг друга и становятся единым целым. Это стало возможным исключительно благодаря развитию коммуникационных технологий. Одомашнив лошадь, мы смогли переправлять письма (и людей) на расстояния в сотни километров за считаные дни. Совершенствование парусных судов позволило добираться до самых отдаленных уголков планеты, хотя и медленно. В XVIII в. плавание из Европы в Китай занимало около двух лет. Как бы то ни было, даже разделенные огромными расстояниями социумы получили возможность обмениваться посланниками и товарами. Впрочем, для абсолютного большинства китайцев того времени европейцы были такими же экзотичными, как обитатели Луны. Подлинное устранение изолированности регионов планеты требует коммуникационной технологии, намного опережающей по скорости верховую лошадь и парусник, охватывающей весь мир и достаточно дешевой, чтобы обычный человек мог хотя бы время от времени ею пользоваться. Первым шагом на этом пути стало изобретение телеграфа и прокладка трансокеанских кабелей. Телефонная связь, использующая те же кабели, значительно расширила возможности этой технологии. Наконец, громадным рывком вперед стало появление радио, телевидения и спутниковой связи.

Сегодня мы обмениваемся информацией – обыденно, не задумываясь и не испытывая ни малейшего трепета, – со скоростью света. От скорости лошади или парусника к скорости света – это рост почти в сотню миллионов раз. В силу фундаментальных законов существования мира, сформулированных Эйнштейном в специальной теории относительности, не существует возможности передавать информацию быстрее скорости света. За одно столетие мы достигли физических пределов скорости коммуникации. Мы уже владеем настолько эффективной технологией со столь масштабными возможностями применения, что в социальном отношении пока до нее не дозрели.

Позвонив на другой континент, вы заметите крохотные задержки между окончанием собственной реплики и реакцией собеседника. Это время, за которое звук нашего голоса доходит до телефона, преобразуется в электрический сигнал, в этом виде бежит по проводам до передающей станции, в микроволновом диапазоне излучается на спутник связи, находящийся на геосинхронной орбите, отражается на принимающую станцию спутниковой связи, проходит еще какой-то путь по проводам, приводит в движение мембрану телефонной трубки (на другой стороне земного шара), преобразуется в звуковые волны в очень узком слышимом диапазоне, попадает в ухо человека, посредством электрохимических импульсов передается в головной мозг и там обрабатывается.

Расстояние от Земли до геосинхронной орбиты и обратно свет пробегает за четверть секунды. Чем дальше разнесены передатчик и приемник, тем больше нужно времени на передачу. При радиосвязи с астронавтами лунной миссии «Аполлон» задержка между вопросами и ответами была длиннее. Время прохождения света от Земли до Луны и обратно составляет 2,6 секунды. При самом благоприятном положении космического корабля на орбите Марса получение сообщения занимает 20 минут. В августе 1989 г. мы получили кадры, переданные автоматической станцией «Вояджер-2» от Нептуна, его спутников, колец и арок. Со скоростью света пять часов неслись к нам эти данные с отдаленных рубежей Солнечной системы. Это был самый затяжной сеанс коммуникации за всю предыдущую историю человечества.

Во многих ситуациях свет ведет себя как волна. Представим, например, что свет проходит в затемненную комнату через две параллельные щели и попадает на экран. Что мы увидим на экране? Изображение щелей (а точнее – ряд параллельных ярких и темных полос) – «интерференционный узор». Пройдя сквозь пару щелей, свет не движется прямо вперед, как летящая пуля, а распространяется во все стороны под разными углами. Там, где накладываются друг на друга гребни двух волн, мы в силу эффекта так называемой усиливающей интерференции видим яркое изображение щели, в местах наложения впадин ослабляющая интерференция создает темную полосу. Это характерное поведение волны. Ту же картину можно наблюдать, если проделать два отверстия в опоре пирса на уровне воды.

В то же время свет ведет себя еще и как поток крохотных «летящих пуль» – фотонов. На этом основан принцип действия обычного фотоэлемента (например, в фотоаппарате или в калькуляторе со световой подзарядкой). Каждый попадающий на него фотон выбивает из светочувствительной поверхности электрон. Множество фотонов создают поток электронов, или электрический ток. Но как свет может быть одновременно и волной, и частицей? Чтобы не ломать голову, лучше представить его себе как нечто третье, не волну и не поток частиц в чистом виде, – нечто, не имеющее прямых аналогий в обыденном мире, а лишь ведущее себя в одних условиях как волна, а в других – как частица. Корпускулярно-волновой дуализм – очередная порция лекарства от человеческой гордыни. Природа не обязана соответствовать нашим ожиданиям и предпочтениям и быть понятной для нашего ограниченного ума.

Что касается практического применения, свет аналогичен звуку. Световые волны являются трехмерными, имеют частоту, длину волны и скорость распространения (скорость света). Единственное – но потрясающее – отличие состоит в том, что для распространения им не нужна среда, например вода или воздух. Свет Солнца и далеких звезд доходит до нас, хотя пространство между нами является почти идеальным вакуумом. В открытом космосе астронавты не могут переговариваться, кроме как по радио, даже находясь в нескольких сантиметрах друг от друга. Отсутствует воздух, в котором мог бы распространяться звук. Но видят они друг друга прекрасно. Сблизившись настолько, чтобы их шлемы соприкасались, они смогут и слышать друг друга. Если из вашей комнаты внезапно исчезнет воздух, вы не услышите, как сосед по комнате жалуется на это обстоятельство, хотя какое-то мгновение сможете наблюдать, как он жестикулирует и разевает рот.

Обычный видимый свет – воспринимаемый нашим зрением – имеет очень высокую частоту: около 600 трлн (6 × 10¹⁴) волн попадает на нашу сетчатку каждую секунду. Поскольку скорость света равна 30 млрд (3 × 10¹⁰) сантиметров в секунду, длина волны видимого света составляет 30 млрд, деленные на 600 трлн, или 0,00005 (3 × 10¹⁰ / 6 × 10¹⁴) = 0,5 × 10^–4 см. Это слишком мало, чтобы разглядеть, даже если бы нашелся способ подсветить чем-то эти волны и получить их изображение.

Если звуки определенных частот воспринимаются нами как разные музыкальные тона, то свет определенных частот мы интерпретируем как разные цвета. Частота красного цвета около 460 трлн (4,6 × 10¹²) волн в секунду, фиолетового – около 710 трлн (7,1 × 10¹²). Между ними располагаются все остальные цвета радуги. Каждому свету соответствует своя частота.

По аналогии с парадоксом о смысле музыкального тона для глухого от рождения человека можно задаться столь же хитрым вопросом: что есть цвет для человека, рожденного слепым? И в этом случае ответом будет уникальная, со всей достоверностью определяемая частота световой волны, которую можно измерить и зафиксировать точно так же, как фиксируется музыкальный тон. При должной подготовке и знании физики слепой от рождения человек отличит розовый от малинового и кроваво-красного. При наличии хорошего спектрометра он сможет различать оттенки гораздо точнее, чем нетренированный человеческий глаз. Частоту 460 трлн герц зрячие люди интерпретируют как «красное». Но этой частотой (460 ТГц) и привычной интерпретацией все и исчерпывается. Здесь ничего больше нет, никакого чуда, каким бы красивым нам ни казалось это зрелище.

Подобно звукам, слишком высоким или низким для человеческого уха, есть частоты световых волн, или «цвета», выходящие за пределы нашего зрительного восприятия. Это диапазоны гораздо более высоких частот (порядка миллиарда миллиардов – 10¹⁸ – волн в секунду у гамма-излучения) и гораздо более низких (менее одной волны в секунду у длинных радиоволн). Двигаясь по спектру световых волн от высоких частот к низким, мы встречаем широкие полосы с собственными названиями: гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны. Все эти волны распространяются в вакууме. Все являются такими же «полноценными» световыми волнами, что и обычный видимый свет.

Различные частотные диапазоны дают собственную картину астрономических явлений. Небо выглядит в разных лучах по-разному. Например, яркие звезды в гамма-диапазоне невидимы. Наоборот, фантастические гамма-барстеры, обнаруженные орбитальными обсерваториями, исследующими космос в гамма-диапазоне, практически незаметны в обычном видимом свете. Если бы мы до сих пор – как большую часть своего существования – наблюдали Вселенную только в видимом спектре, то не знали бы, что в ней есть источники гамма-излучения. Это относится и к источникам рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного и радиоизлучения, а также экзотических нейтрино и космических лучей и, возможно, гравитационных волн.

Мы приспособлены воспринимать видимый свет. Такой вот световой шовинизм. Лишь к этому свету чувствителен человеческий глаз. Если бы в силу физической трансформации наши предки научились передавать и принимать радиоволны, то древние люди смогли бы общаться на огромных расстояниях, а овладение рентгеновским зрением позволило бы им заглядывать внутрь растений, животных, минералов и друг друга. Почему же наши глаза не обрели восприимчивости к излучению с другими частотами?

Любой материал, какой ни возьми, «склонен» поглощать свет определенных частот, и никаких других. У каждого вещества свои предпочтения. Свет и химический состав вещества имеют естественный резонанс. Свет определенных частот, например гамма-излучение, поглощают практически все материалы. Импульс гамма-излучения быстро слабеет из-за поглощения воздухом. Космические гамма-лучи, проделывающие гораздо более долгий путь в земной атмосфере, полностью поглощаются прежде, чем достигнут поверхности планеты. Здесь, на Земле, у нас очень темно – если смотреть в гамма-спектре, – кроме ближайших окрестностей таких объектов, как ядерные боеголовки. Чтобы увидеть гамма-лучи, идущие от центра Галактики, нужно поместить орган зрения в космосе. Это относится и к рентгеновским лучам, ультрафиолету и большей части инфракрасного диапазона.

Видимый свет, наоборот, плохо поглощается большинством материалов. Например, воздух практически проницаем для него. Это одна из причин, почему мы видим именно в этом диапазоне: излучение видимой части спектра проходит сквозь атмосферу и достигает нас. Гамма-зрение бесполезно в атмосфере, где все в этом диапазоне выглядело бы совершенно черным. Естественный отбор не ошибается.

Вторая причина: именно в диапазоне видимого излучения Солнце отдает основную часть своей энергии. Очень горячие звезды излучают преимущественно в ультрафиолетовом диапазоне, очень холодные – в инфракрасном. Солнце – по космическим меркам средняя звезда – излучает главным образом видимый свет, причем сильнее всего в области волн желтого цвета. И наш глаз демонстрирует поразительную точность настройки: именно к этой части спектра он наиболее чувствителен.

Может ли случиться так, что обитатели других планет видят совершенно в других диапазонах? На мой взгляд, едва ли. Практически все присутствующие в космосе в заметном количестве газы прозрачны для видимого света и полупрозрачны для близких к нему частот. Звезды, кроме самых холодных, отдают значительную, если не преобладающую, часть своей энергии на частотах видимой части спектра. Проницаемость материи и свечение звезд в одном и том же узком диапазоне частот только кажется случайным совпадением. Это соответствие наблюдается не только в Солнечной системе, но и повсюду во Вселенной и является следствием фундаментальных законов излучения, квантовой механики и ядерной физики. Могут быть и исключения, но я полагаю, что обитатели иных миров, если они вообще существуют, видят практически в том же диапазоне частот, что и мы.

Растения поглощают красный и синий свет и отражают зеленый, поэтому представляются нам зелеными. Все зависит от того, свет какой части спектра и в каком количестве отражает данный «цвет». То, что поглощает синий свет и отражает красный, кажется нам красным; то, что поглощает красный свет и отражает синий, кажется синим. Предмет, который воспринимается нами как белый, практически одинаково отражает свет всех цветов. Это относится и ко всему серому и черному. Разница между черным и белым не в цвете, а в количестве отраженного света. Все относительно.

Наверное, самый яркий природный материал – свежевыпавший снег. Но и он отражает лишь около 75 % падающего на него солнечного света. Обиходный черный материал, например черный бархат, отражает считаные проценты света. «Противоположны как черное и белое» – это логическая ошибка. В сущности, черное и белое есть одно и то же, различие между ними не в цвете, а в относительном количестве отраженного света.

Большинство «белых» людей далеко не так белы, как свежевыпавший снег, или хотя бы белый холодильник, а большинство «черных» светлее черного бархата. Это относительные, неточные, обманчивые характеристики. Люди сильно отличаются отражательной способностью – показателем того, какой процент светового потока отражает кожа. Пигментацию кожи обеспечивают главным образом молекулы органического соединения под названием меланин, которое организм вырабатывает из тирозина – аминокислоты, входящей в состав белков всех живых организмов. Альбиносы имеют врожденное заболевание, вследствие которого меланин не вырабатывается. Их кожа и волосы имеют молочно-белый оттенок, радужки глаз розовые. Животные-альбиносы в природе редки, поскольку их кожа не обеспечивает достаточной защиты от солнечного излучения и у них отсутствует защитная окраска. Долго альбиносы не живут.

Подавляющее большинство жителей США коричневые. Свет, лучше всего отражаемый нашей кожей, несколько смещен в красную область видимого спектра. Людей с активной выработкой меланина так же бессмысленно определять «цветными», как людей, в коже которых меланина мало, – «обесцвеченными».

Заметные различия в цвете кожи наблюдаются только в видимом диапазоне и близких к нему частотах. Уроженцы Северной Европы и Центральной Африки одинаково черны в ультрафиолетовом и инфракрасном излучении, поскольку практически все органические молекулы, не только меланин, поглощают его. Такая аномалия, как белая кожа, в принципе возможна исключительно в видимом спектре, для которого проницаемы многие молекулы. В большей части спектра все люди черные.

Солнечный свет представляет собой смешение волн с частотами, соответствующими всем цветам радуги. Желтого света в нем несколько больше, чем красного или синего, и это одна из причин того, что Солнце кажется нам желтым. Предположим, волны всех этих цветов попадают на лепесток розы. Почему он выглядит красным? Потому что все остальные цвета, кроме красного, преимущественно поглощаются им. Когда световой поток падает на розу, волны беспорядочно рассеиваются под поверхностью лепестков. Как в примере с ванной, при каждом соударении волна ослабляется, но всякий раз волны синего и желтого света поглощаются сильнее красных. В итоге после множества внутренних отражений обратно в воздух излучается больше красного света, и мы созерцаем прекрасную алую розу. С голубыми или фиолетовыми цветами происходит то же самое, с той разницей, что их лепестки поглощают преимущественно красный и желтый свет, а отражают синий и фиолетовый.

За поглощение света в лепестках таких цветов, как розы и фиалки – настолько ярко окрашенных, что являются тезками соответствующих оттенков, – отвечает особый органический пигмент, антоцианин. Примечательно, что типичный антоцианин имеет красный цвет в кислой среде, синий – в щелочной и фиолетовый – в воде. Таким образом, розы красны, потому что содержат антоцианин и имеют легкую кислую реакцию, фиалки фиолетовы благодаря антоцианину и легкой щелочной реакции. (Я пытался обыграть этот факт в каламбурах, но не преуспел.)

Синие тона даются Природе трудно. Редкость синих скал или песков на Земле и других планетах говорит сама за себя. Синие пигменты с необходимостью имеют весьма сложное строение: антоцианин состоит из двух десятков расположенных определенным образом атомов, каждый тяжелее атома водорода.

Живые существа пользуются цветом очень изобретательно. Растения поглощают солнечный свет и путем фотосинтеза добывают пропитание буквально из воздуха и воды. Птенцы яркой окраской глоток указывают родителям, куда совать пищу. Бывает окраска, привлекающая особей противоположного пола и насекомых-опылителей, бывает маскировочная или отпугивающая. Есть у цвета и чисто эстетическая функция, во всяком случае для человека. Но все это возможно исключительно в силу физических особенностей звезд, химического состава воздуха и изящной сообразности процесса эволюции, обеспечившего нам совершенную гармонию с физической средой.

Когда мы изучаем иные миры, состав атмосферы или рельеф других планет – пытаемся понять, почему атмосферная дымка спутника Сатурна Титана коричневая, а похожая на дынную корку поверхность Тритона, спутника Нептуна, розовая, – то опираемся на свойства световых волн, по сути, мало отличающихся от концентрических кругов на воде в ванне. Все видимые нами цвета, будь то на Земле или за ее пределами, определяются длиной волны преимущественно отраженного света. Так что образ Солнца, ласкающего все сущее в пределах достижения своих лучей, представление о солнечном свете как о взоре божества не только поэтическая метафора. Тем не менее капля воды, падающая в ванну, гораздо лучше и точнее объясняет физику света.