Фотоны, которые достигают ваших глаз, промчавшись сквозь пространство космоса, зарождаются в сердце звезды в процессе реакции термоядерного синтеза. В такой звезде, как Солнце, ядра двух атомов водорода сливаются и образуют ядро следующего по тяжести элемента – гелия. При этом теряется небольшая часть массы, которая превращается в энергию в соответствии с самой знаменитой физической формулой Е = mc².
Приведенная формула демонстрирует нам, насколько велика эта энергия. Символ «с» в этом уравнении, возведенный в квадрат, соответствует скорости света. Таким образом, из крошечной массы мы получаем огромное количество энергии, которая излучается в виде фотонов (и других частиц) в центре звезды. Практически мгновенно фотоны сталкиваются с другими частицами и поглощаются ими, в результате чего излучаются другие фотоны. Этот процесс повторяется вновь и вновь по мере того, как свет постепенно пробивается к поверхности звезды. Могут пройти миллионы лет, прежде чем фотон в конце концов покинет Солнце.
В Альниламе этот процесс выглядит немного иначе, поскольку протекает с такой интенсивностью, что весь водород там, вероятно, уже выгорел, и звезда производит другие элементы, но конечный эффект остается тем же. После серии реакций в глубинах звезды, в ходе которых фотоны непрерывно излучаются и поглощаются, один из фотонов в конце концов достигает поверхности и покидает ее. После миллиардов столкновений его энергия в этот момент намного ниже, чем изначальная. Если в момент зарождения энергия фотона была в диапазоне гамма-лучей, то теперь она снижается до видимого спектра света. Именно в таком виде он и улетает в пространство.
Как только фотон покидает поверхность звезды, его уже ничто не может остановить, если только он не будет чем-то уничтожен. Свет должен двигаться с определенной скоростью, в противном случае он просто не может существовать. Итак, он летит в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Подавляющее большинство фотонов, излучаемых звездой Альнилам, никогда не достигнет Земли. Однако очень незначительная часть, включая и фотон, за которым мы пристально следим, движется строго в нашем направлении.
На протяжении 1340 лет этот фотон пересекал пространство и вот, наконец, вошел в атмосферу Земли. Если ему повезет, его не поглотит ни одна из молекул воздуха. А такая печальная судьба грозит многим фотонам. Именно поэтому космический телескоп «Хаббл», установленный на спутнике, может делать куда более качественные фотографии, чем наземные телескопы. Воздух в земной атмосфере поглощает некоторую часть света. Хотя молекула воздуха в конечном счете все равно испустит поглощенный фотон, она необязательно направит его в том же направлении. Поэтому свет в воздухе рассеивается, а те фотоны, которые продолжают движение в нашем направлении, немного сбиваются с пути, из-за чего возникает впечатление, будто звезда слегка колеблется и мерцает.
Наконец фотон достигает вашего глаза. Возможно, это тот же самый фотон, который покинул Альнилам 1340 лет назад. Все это время он летел в космосе только для того, чтобы исчезнуть, попав в ваш глаз. Если вы носите очки, он прекратит свое существование чуть раньше. Когда фотон проходит через такое вещество, как стекло, он может неоднократно поглощаться и излучаться повторно. Но даже если вы не носите очков, то это будет уже не тот же самый фотон, так как процесс поглощения и повторного излучения будет совершаться уже в вашем глазу. И все же процесс будет запущен именно тем фотоном, который 1340 лет летел до вас от Альнилама.
В конце концов фотон попадает на сетчатку, находящуюся на задней стенке глаза. Вместе с многими другими фотонами он будет сфокусирован на маленьком пространстве сетчатки с помощью линзы, которая находится в глазу. Как и во всех оптических устройствах, работа этой линзы основана на отклонении луча света при переходе из одной среды в другую. Это явление называется преломлением света.
Эксперимент с изогнутым карандашом
Наполните прозрачный стакан водой на две трети (лучше, если у стакана будут вертикальные стенки) и поместите туда карандаш так, чтобы он стоял в стакане под наклоном. Посмотрите на то место, где он входит в воду. Создается впечатление, что в этой точке карандаш слегка изогнут и в месте входа в воду его положение становится почти вертикальным. Искажение не слишком велико, но вполне заметно. Это результат преломления света при переходе из воздуха в воду. То же самое происходит при его переходе из воздуха в стекло, например в линзу.
Традиционно этот феномен объясняют тем, что свет замедляется, переходя в более плотную среду, например в стекло линзы (или, в данном случае, в воду). Согласно закону сохранения энергии, при этом переходе возрастает частота, то есть волны следуют друг за другом чаще. Если вы представите себе широкий пучок света, попадающий на стекло под углом, то часть пучка, проникающая в стекло, должна увеличить частоту, а та часть, что еще находится в воздухе, сохранит прежнюю частоту. За счет этого происходит искривление волн.
Квантовая теория подходит к проблеме света и материи совершенно иначе. В соответствии с ней фотон может избрать любой из возможных путей, но с разной вероятностью. При прохождении по избранному пути он сохраняет уже упомянутое нами свойство изменения фазы с течением времени. Поскольку пути у каждого фотона разные, то и фаза при входе в стекло у каждого из них будет разной.
Чтобы понять, что происходит в действительности, необходимо произвести сложение всех фаз. Какие-то из них окажутся противоположно направленными и взаимно компенсируют друг друга. Останутся те фазы, которые ориентированы примерно в одном направлении – на путь, который потребует от фотонов минимального времени на прохождение. Хотя в принципе каждый фотон может избрать любой из потенциальных путей, на практике он ленив и пойдет по самому быстрому. Возможно, вы подумали, что это будет кратчайшая дистанция, то есть прямая линия, но ваш навигатор в автомобиле частенько доказывает, что лучше иногда сделать крюк по пустым дорогам, чем избрать прямой маршрут и потом торчать в пробках в центре города.
Переходя из воздуха в воду или стекло, свет ведет себя так же, как спасатели на пляже. Представьте себе такого спасателя в красном жилете, который замечает, что кто-то тонет. Первое побуждение, которое возникает в таких случаях, – бежать к утопающему по прямой линии. Но это не самый быстрый путь. Лучше пробежать некоторое расстояние вдоль берега до того места, откуда плыть будет короче. Ведь бежать по земле всегда быстрее, чем плыть по воде. Общая дистанция при этом несколько увеличивается, но человек, терпящий бедствие, получит помощь быстрее.
То же самое происходит, когда свет переходит из менее плотной среды в более плотную (например, стекло или воду). Поскольку свет в стекле движется медленнее, он сможет попасть к месту назначения быстрее, если сначала проделает лишнюю часть пути по воздуху, а затем пройдет более короткую дистанцию в стекле. Это и есть «принцип спасателя», который экономит время на дорогу.