От чёрных облаков к чёрным дырам

Нарликар Джаиант

Таблица 2.

Различные электромагнитные волны

Тип волны

Интервал длин волн, м

Интервал частот, Гц

Радиоволны

Больше 10

^{– 1}

Меньше 3•10

⁹

Микроволны

10

^{– 3}

– 10

^{– 1}

3•10

⁹

– 3•10

¹¹

Инфракрасный свет

8•10

^{– 7}

– 10

^{– 3}

3•10

¹¹

– 3.75•10

¹⁴

Видимый

свет

4•10

^{– 7}

– 8•10

^{– 7}

3.75•10

¹⁴

– 7.5•10

¹⁴

Ультрафиолетовый свет

10

^{– 8}

– 4•10

^{– 7}

7.5•10

¹⁴

– 3•10

¹⁶

Рентгеновские лучи

10

^{– 11}

– 10

^{– 8}

3•10

¹⁶

Гамма-излучение

Меньше 10

^{– 11}

Больше 3•10

¹⁹

Очевидно, нельзя ожидать получения исчерпывающих сведений о Вселенной, если ограничиться только видимым светом, который, согласно приведённой таблице, образует крохотное окошко во всем диапазоне длин волн. Мы вернёмся к этому вопросу, когда будем обсуждать свет звёзд как источник информации.

Обратимся теперь к другому свойству света, на первый взгляд противоречащему его волновой природе.

СВЕТ КАК СОБРАНИЕ ЧАСТИЦ

Несмотря на то, что физики 60-х годов прошлого века убеждали себя, что они знают о свете все, дополнительная информация, поступившая главным образом от астрономов, не слишком хорошо укладывалась в рамки этой картины.

На рис. 6 показан спектр солнечного света, полученный с помощью более изощрённого прибора, чем призма. Наряду с радугой цветов в спектре имеются какие-то тёмные линии. Эти линии были впервые обнаружены в солнечном спектре в 1814 г. Фраунгофером, и даже после «полного» объяснения световых явлений на основе уравнений Максвелла невозможно было понять, почему на фоне непрерывного цветового спектра должны возникать такие тонкие тёмные линии.

Рис. 6. На фоне непрерывного солнечного спектра видны тёмные фраунгоферовы линии. Под ними — химические символы атомов, ответственных за эти линии

В лабораторных спектроскопических экспериментах были обнаружены другие спектральные линии, показанные на рис. 7. Они выглядели как яркие линии на фоне непрерывного спектра. На оснований эмпирических соображений можно утверждать, что тёмные линии на рис. 6, называемые линиями поглощения возникают в результате поглощения света, а яркие линии на рис. 7, называемые линиями испускания, возникают в результате испускания света. Но эти линии соответствуют очень узкому интервалу длин волн — не более чем несколько ангстрем, и трудно понять, каким образом вещество может избирательно поглощать или испускать свет в таком узком диапазоне.

Рис. 7. Яркие спектральные линии, возникающие от возбуждённых атомов паров натрия. Они называются D-линиями

Загадка была разрешена в нашем веке после того, как была понята двойственная природа света. Его можно рассматривать и как распространяющуюся в пространстве волну, и как совокупность крохотных порций энергии, называемых фотонами. Фотон света частоты обладает энергией E=h, где h — универсальная константа, называемая постоянной Планка. Идея о том, что свет может быть описан указанным образом, была впервые высказана Максом Планком в 1900 г., и это ознаменовало начало развития так называемой квантовой теории. Но соображения Планка, приведшие его к этой гипотезе, были иными, мы вернёмся позже к этому вопросу.

Рис. 8. Штриховые орбиты вокруг центрального ядра схематически описывают различные состояния электронов с данной энергией в атоме водорода. Значения энергии растут от центра наружу. Когда электрон перепрыгивает с внешней орбиты на внутреннюю, он излучает энергию. Для обратного прыжка нужен внешний источник энергии

Квантовая теория следующим образом объясняет возникновение линий поглощения и испускания. Рассмотрим в качестве примера газ, состоящий из простейших атомов — атомов водорода. На рис. 8 изображено строение этого атома с точки зрения квантовой теории. В центре имеется положительно заряженная тяжёлая частица, называемая протоном, а отрицательно заряженная частица — электрон — обращается вокруг протона. До создания квантовой теории движение электрона вокруг центрального протона представлялось загадочным. Действительно, согласно теории Максвелла, вращающийся по орбите электрон с неизбежностью должен излучать электромагнитные волны. Энергия, уносимая этими волнами, должна откуда-то браться; ясно, что источником этой энергии является собственная энергия движения электрона. Из-за потерь энергии электроном его орбита непрерывно сжимается, так что в конце концов электрон падает на центральный протон. Наиболее обескураживающим следствием этих рассуждений было то, что промежуток времени, за который все это происходит, чрезвычайно мал, порядка 10^{– 10} с!

Таким образом, оставалось загадкой, каким образом атом водорода сохраняет свою структуру долгое время. Что препятствует электрону упасть на протон? Ответ был получен исходя из новых правил движения, сформулированных квантовой механикой. Эти правила вводят в традиционную картину атома новую концепцию дискретности. Согласно квантовой теории, электрон может обладать только дискретным набором значений энергии, и, следовательно, он занимает только одну из дискретного набора орбит, совместимую с его энергией. Наименьшая, орбита в этом наборе соответствует состоянию, в котором электрон имеет наименьшую энергию. Орбита не может иметь размер, меньший некоторого определённого значения, так что электрон никогда не может упасть на протон. Если же электрон получит извне дополнительную порцию энергии, то он перепрыгивает на более высокую орбиту в соответствии с тем, сколько энергии он получил.

Как определить эту дополнительную порцию энергии? На рис. 8 показаны две типичные разрешённые орбиты, на которых электрон имеет полную энергию, равную Е₁ и Е₂, причём Е₂ больше, чем Е₁. Для того чтобы перебросить электрон с первоначальной орбиты с энергией Е₁ на орбиту Е₂, нужно добавить ему энергию, равную разности Е₂– Е₁.

Хотя рис. 8 носит схематический характер, он поясняет главную идею, что орбиты образуют дискретный набор, причём соответствующие энергии возрастают при переходе к внешним орбитам. Этот рисунок объясняет, почему электрон должен «перепрыгивать» с одной орбиты на другую, а не менять орбиту непрерывным образом.

Добавим теперь к этой картине световую волну в качестве поставщика энергии. В рассматриваемом примере на рис. 8 для того, чтобы перебросить электрон с энергетического уровня Е₁ до уровня Е₂ нужно, чтобы свет принёс энергию Е₂– Е₁. Согласно квантовой теории света такой процесс переброса может обеспечить только фотон определённой частоты. Указанное ранее правило определяет эту частоту: