9
Гори, гори ясно

Шелдон прав: муравьиные колонии не подчиняются стандартному распорядку дня человеческих колоний – дневное и ночное время. Хоть их активность и меняется после заката в связи со снижением видимости и температуры, они все равно бодрствуют и суетятся долгое время после того, как большинство двуногих и четвероногих существ отходят ко сну. Он также не выдумал муравьиную ферму со светящимся в темноте песком. Такие существуют, правда, фосфоресценция, ответственная за свечение, затухает минут где-то через пятнадцать.

Некоторые муравьиные фермы борются с этой проблемой, используя вместо песка безопасный для муравьев прозрачный гель и подсветку снизу. (Еще одно решение, которое пока для нас недоступно, может предложить Эми Фарра Фаулер, скрестив муравья со светлячком. Представьте себе новый вид насекомого-шахтера со встроенным фонарем. Хотя скорее всего фонарь будет встроен совсем не в голове…)

Фосфоресценцию часто путают с флуоресценцией. Это два абсолютно разных явления, хотя процессы, на которых они основываются, в чем-то схожи. Флуоресценция обычно выглядит как неестественно яркая окраска, и она требует освещения. Фосфоресценция заставляет предметы светиться в темноте после воздействия света. Оба этих процесса не имеют ничего общего с генерацией света, они только излучают ранее накопленный свет. В перерыве между накоплением и излучением свет хранится в электронах атома вещества.

Каждый атом окружен электронами, все они постоянно получают и отдают энергию. Когда электрон поглощает или излучает энергию, уровень его энергии меняется. Но законы Вселенной ограничивают уровень энергии, зависящий от типа атома, в котором она находится. Невозможно найти электрон с уровнем энергии, который несвойственен его атому, даже на мгновение. Это то же самое, если бы ваша машина могла набирать скорость в 50 миль, 40 или 20, но не могла двигаться со скоростью в 30 миль, 21 или 38 с половиной. Если бы вы нажали на педаль газа, двигаясь со скоростью в 20 миль в час, сначала ничего бы не произошло, а потом машина вдруг бы поехала со скоростью в 40 миль без какого-либо постепенного перехода. Она даже на мгновение не будет двигаться со скоростью в 25 миль в час. Скорость будет 20 миль в час, а потом резко 40. Это, безусловно, принесет неприятные ощущения для вас и угробит ваш мотор, но для электронов подобное моментальное переключение – совершенно естественная вещь. У них нет никакого перехода, никакого срединного состояния.

Это не так уж и невероятно, как вам может показаться. В мире полно вещей, у которых нет переходного состояния: дыры, порезы бумагой, крошки (как заметил комик Джордж Карлин: «Если разломать крошку напополам, вы получите не две половинки крошки, а две целые крошки! ). И что вообще такое – два с половиной человека? Вы хоть раз такое слышали? Такое же невозможно! (Или очень и очень некрасиво.) Чтобы понять, почему так происходит, надо принять во внимание резонансные и колебательные ограничения. Резонанс – это причина того, почему горн может издавать только определенные ноты и не способен издать ноты между ними; почему стиральная машина дико трясется только при определенной скорости цикла или почему нельзя заставить качели двигаться чуть быстрее или медленнее.

У электрона нет педали газа. Он переходит к более высокому уровню энергии, поглотив фотон (частицу света), а снижает ее, выпустив фотон. Энергия, содержащаяся в любом из этих фотонов, равна разнице энергий «до» и «после» изменения уровней. То, что мы видим как цвета радуги, производится фотонами с разными уровнями энергии, где у фотонов красного света меньше всего энергии, а у фиолетового больше всего.

Поскольку электроны атома ограничены определенным уровнем энергии и их цвет определен уровнем этой энергии, атом может поглотить только свет, который равен разнице между двумя уровнями энергии, позволенными электронам конкретного атома. Фотон входящего света правильного цвета может перебросить электрон на уровень выше, тогда как фотоны, чей уровень энергии не соответствует, не поглощаются, а просто продолжают свой путь-дорогу.

Синий свет, поглощающийся и выделяющийся. Вертикальные линии показывают энергию электрона, а не его местонахождение. Горизонтальные линии представляют несколько возможных уровней энергии

Цвета энергии, которые атом может выделить, те же, что и у поглощаемой энергии. Если атом поглотит входящий фотон синего света, посылая электрон на более высокий уровень энергии, то, когда этот электрон вновь снизится, атом выделит энергию того же самого синего цвета. Под желтым светом, например под уличным фонарем, такой атом может показаться черным; если во входящем свете нет ничего синего, электронам нечего поглощать и нечего выделять.

Фиолетовый свет поглощается; оранжевый и синий выделяются. Электрон пропускает уровень, поднимаясь наверх, а опускается последовательно, с уровня на уровень

Но предположим, свет, соприкасающийся с атомом, соответствует энергии на два или несколько уровней выше вместо одного. Электрон, поглотивший один из этих экстраэнергичных фотонов, сразу пропустит один или несколько уровней. Произойдет то же, если бы машина, ехавшая со скоростью в 20 миль в час, вдруг помчалась со скоростью не 40, а сразу 50 миль в час. И что тогда? Независимо от того, что произойдет на пути вверх, электрон, возвращающийся на более низкие уровни, каждый раз снижается только на один уровень. И с каждым шагом вниз он выпускает энергию с цветом, соответствующим разнице энергий данной ступени.

Если электрон пропустит один или несколько этапов на пути наверх, то ни один из цветов, которые он выпустит на пути вниз, не совпадет с цветом, поглощенным на пути наверх. Это и есть флуоресценция, она в результате превращает один цвет в два или более. Поскольку цвета, которые она создает, могут вообще не присутствовать во входящем свете, она может придать объекту странную яркую внешность. Именно поэтому тропические рыбки так эффектно сияют под яркой синей аквариумной лампой.

Входящий свет не обязательно должен принадлежать к видимому спектру. Броские постеры из 1960-х были предназначены представать во всей своей красе под лампой черного света: лампой, которая выделяет большое количество ультрафиолетового света, невидимого для человеческого глаза. (Фиолетовый цвет таких ламп является только побочным действием своего основного назначения.) Дробление сахарных кристаллов также создает вспышки ультрафиолета, под которыми винтергриновое масло получает голубой оттенок. Именно это создает драматический эффект, который вы видите в зеркале в темной комнате, когда жуете винтергриновые конфетки от Life Savers с открытым ртом (и где только ваши манеры).

На самом деле, входящая энергия не обязательно должна поставляться светом. Флуоресцентные лампы работают (после нескольких мгновений раздумий и миганий), протягивая невидимый поток электронов сквозь стеклянную трубку с внутренним химическим покрытием. Энергия из электронного потока подбрасывает электроны в покрытии на более высокий уровень энергии, и, когда последние возвращаются в свое исходное состояние, шаг за шагом, они сияют голубоватым и желтоватым светом.

Как и флуоресценция, фосфоресценция требует внешнего источника энергии и производится электронами, возвращающимися к своему исходному низкому уровню энергии. Разница в том, что процесс происходит гораздо медленнее. Электроны обычно выделяют энергию практически сразу же после ее поглощения. Они могут ее удержать разве что на мгновение перед тем, как отдать ее, поэтому в момент, когда гаснет свет и энергия прекращает свое течение, вы оказываетесь в полнейшей темноте.

Процесс в фосфоресцирующих материалах точно такой же, отличается только его время. Благодаря особенностям их атомной структуры, их электроны не торопятся отдавать энергию, которую они поглотили, пока горел свет. То, что вы видите после того, как гаснет свет, – это разновидность замедленного вторичного излучения.

Поскольку для того, чтобы светящаяся в темноте игрушка выдала немного света, необходим очень яркий свет, кажется, будто энергия каким-то образом теряется в материале, но это не так. Электроны постепенно выдают все излучение, которые они накопили; только они это делают по чуть-чуть в течение более длительного периода. Если бы вы учли всю энергию на входе и выходе, вы бы увидели, что ничего не теряется. Это пример закона сохранения энергии, и, если вы захотите сделать официальное заявление, вы можете сказать, что при температурном равновесии коэффициент излучения будет равен коэффициенту поглощения. (Но к чему такая формальность?)

Удивительно, но свечение материала, который называется белый фосфор, на самом деле не имеет ничего общего с фосфоресценцией. Оно обусловлено химической реакцией вещества с кислородом в воздухе. А «светящийся в темноте кролик» из генетической лаборатории, которого упоминает Говард, остается загадкой .

Фосфоресценция возникает как на свету, так и в темноте, но, естественно, сияние гораздо лучше заметно в темноте. Также возможно одновременное возникновение флуоресценции и фосфоресценции, когда электроны одновременно перепрыгивают через два или более уровня энергии, а затем медленно возвращаются обратно вниз.

Не имея источника новой энергии, чтобы снова «зарядить» электроны, сияние фосфоресцентного материала через какое-то время сводится на нет. Если вдруг Шелдон решит всерьез заинтересоваться ночными трудами своих муравьев и проведет всю ночь в наблюдениях за ними, он также заметит, что их песок погаснет гораздо раньше, чем взойдет солнце. Ему лучше применить флуоресцентный песок, возможно, подсвеченный не ослепляющим белым светом, а ультрафиолетовой лампой или невидимым потоком электронов. Хотя радиационные ванны подобного рода могут вызвать ужасные мутации в ДНК бедных муравьев, и неожиданно они смогут вырасти, вырваться из своей темницы и затерроризировать Пасадену. (Но ненадолго, так как, по его же утверждению, гиганский муравей будет раздавлен весом собственного панциря . Фу!)

И темнота.

Поскольку исходный свет, который производит флуоресценцию или фосфоресценцию, не всегда видим, то и производный свет не обязан быть видимым. Инфракрасный – это диапазон цветов, который, как и ультрафиолетовый, невидим для человеческого глаза. Как и утверждают названия (понятные говорящим на латинском языке), ультрафиолет «выше» фиолетового, а инфракрасный – «ниже» красного. Лампы красного свечения, часто расположенные над столами в буфете и на потолках в туалете, производят инфракрасное излучение. Как и в случае с фиолетовыми «черными лампами», видимый цвет является побочным эффектом.

Растения, имеющие доступ к естественному дневному свету, вырабатывают безопасное инфракрасное свечение благодаря процессу, называемому флуоресценцией хлорофилла под воздействием солнечного света. Мы не можем увидеть это свечение, а детектор инфракрасного света способен его засечь, поэтому-то снимки Земли со спутников часто показывают площади с густой растительностью красным цветом (поскольку именно этот видимый цвет обычно выступает вместо невидимого инфракрасного).

Пол Уеннберг, профессор химии в Калтехе, использует инфракрасный сигнал для растений, чтобы измерять уровень глобального фотосинтеза из космоса. Это дает гораздо более аккуратную и четкую картину активности растений и водорослей, чем оттенки нашего привычного зеленого цвета.

И его не обмануть искусственными деревьями и травой.

В «Собаке Баскервилей» сэра Артура Конан Дойла Шерлок Холмс утверждает, что светящаяся в темноте краска является «хитрой заготовкой» фосфора. Шелдон дает подобную оценку краске, которую Говард и Радж используют на Хэллоуин: «Это вы хорошо придумали. Скелет, намазанный фосфором, на страховке». Что Шерлок, что Шелдон очень сильно ошибались.

Белый фосфор (та разновидность фосфора, которая светится в темноте) – это мерзостная дрянь. Он может воспламениться при комнатной температуре, выделять токсический газ, который способен вызывать коррозию металла и разъедать плоть. (Ну что ж тут хорошего?)

Гипотетическая краска, содержащая белый фосфор, которая каким-то чудом не воспламенилась бы в момент соприкасания с воздухом, нанесла бы огромный вред здоровью. Пока его применение в производстве спичек не было остановлено в 1906 году, белый фосфор нес ответственность за очень распространенное в то время и ужасное заболевание, называемое фосфорным некрозом челюсти, напастью рабочих на фабриках по производству спичек и фейерверков. Попадавшие в воздух частицы фосфора поселялись в слизистой оболочке; со временем челюстная кость приобретала приятное зеленоватое свечение в темноте. А затем начинала гнить.

Я повторюсь… Фу!