Древесные угли черные, но стоит насыпать их в мангал, поджечь и немного подождать, как они начинают светиться. Почему это происходит? Фото iStock
Лето — время шашлыков. Вкусное мясо получается, когда черные угли тлеют, светясь красноватыми переливами. Но как черное может стать источником света? Ответ на этот вопрос сыграл ключевую роль в кардинальном изменении наших представлений об устройстве мира на микроскопическом уровне и положил начало эпохе, которую сегодня называют первой квантовой революцией. Благодаря ей обыденностью стали мобильные телефоны, быстрые компьютеры и лазеры.
Люди издавна наблюдали свечение достаточно сильно нагретых тел. Но увидеть это свечение удавалось не у всех предметов: большинство из них разрушалось или плавилось, когда становилось слишком жарко.
Кузнецы и металлурги работали с тугоплавкими материалами и знали, что по мере нагрева цвет изделия меняется от тускло-красного (около 800 градусов Цельсия) и оранжевого (1500–2000 градусов) до ярко-белого цвета (около 6000 градусов). Наблюдение отразилось на языке: мы говорим «раскалилось докрасна» про очень горячие предметы, «дошел до белого каления» про крайне разозленных людей.
Дальнейшее изменение цвета с ростом температуры можно увидеть, глядя на звезды или плазму в лаборатории. Плазмой называют четвертое состояние вещества — сильно нагретый газ, температура которого настолько большая, что электроны отрываются от атомов. Цвет звезд и плазмы может быть даже голубым — более 15 тысяч градусов Цельсия.
Тепловое излучение испускают любые тела, обладающие температурой, в том числе и комнатной. Оно проистекает в инфракрасном диапазоне — к нему в наших глазах нет фоточувствительных элементов. Но мы можем зафиксировать его с помощью специальных приборов — тепловизоров и инфракрасных камер.
Именно тепловое излучения Солнца делает жизнь на Земле возможной. После приручения огня свет от него — тоже тепловой — многие века грел и освещал жилища людей, помогал готовить еду. Тепловым оставался и электрический свет первых лампочек накаливания.
В начале XX века свойства теплового света подсказали, как устроены мельчайшие частички — атомы, — из которых состоят все тела, начиная от угольков в костре, заканчивая Солнцем.
Гонки по кругу
Атомы состоят из крошечного, положительно заряженного ядра, вокруг которого носятся по орбитам отрицательные электроны. Их можно представить себе в виде гоночных машин, постоянно входящих в бесконечный крутой поворот. Если водитель поддаст газу, то скорость машины, а значит и ее энергия, возрастут. При этом ей станет сложнее поворачивать, поэтому радиус траектории увеличится.
Настоящие автомобили могут ехать с такой скоростью, с какой захотят, в пределах мощности двигателя и законов физики. Машины-электроны лишены таких привилегий. Их энергии могут принимать лишь несколько фиксированных значений. Условная стрелка спидометра таких машин была бы похожа на секундную стрелку механических часов, которая способна находиться только в определенных положениях на циферблате. Такие положения называются энергетическими уровнями электрона в атоме.
Атомы и молекулы в нагретом веществе колеблются или движутся быстрее, чем в холодном. Энергия движения передается электронам, и они переходят на более высокие энергетические уровни. Когда электроны спускаются обратно — в положение с более низкой энергией, то испускают частицу света — фотон, энергия которого равна разнице между энергетическими уровнями электрона. Из-за разрешенных квантовыми законами фиксированных энергетических положений электрона в атоме, энергии испускаемых и поглощаемых фотонов могут быть также строго определенными. Поэтому разные вещества при определенной температуре светятся своим цветом, зависящим как раз от энергии испускаемых фотонов.
Когда много-много атомов объединяются во что-то очень большое, например в кусочек угля, число энергетических уровней увеличивается и энергии испускаемых фотонов могут быть почти любыми. Конкретный набор энергетических уровней отдельного атома зависит от его положения в таблице Менделеева, а набор уровней составных веществ — от того, как в них уложены атомы. Этот же набор определяет все возможные значения энергий испускаемых и поглощаемых фотонов, который называется спектром излучения.
Уголь черного цвета, потому что в его атомах электроны могут совершить практически все переходы, соответствующие поглощению фотонов, которые наши глаза способны увидеть. Спектр излучения и поглощения угля при этом — сплошная полоса определенной формы. Спектры излучения раскаленных угольков, нити накаливания лампочки и Солнца оказались очень похожи: все они обладают ярко выраженным максимумом энергии, который тем больше, чем выше температура тела.
Способность разных тел поглощать свет похожим образом побудила физиков к рассуждениям об абсолютно черном теле — гипотетическом объекте, который поглощает вообще все падающее на него электромагнитное излучение и не выпускает ни одного фотона. В природе такого тела не существует, а угольки, Солнце и другие объекты лишь близки к нему. Например, частички черной сажи, в зависимости от своего размера, могут почти полностью поглощать излучение видимого диапазона, но в несколько раз хуже поглощают фотоны с меньшей энергией: инфракрасные и радиоволны.
Рекордно черный материал был создан в 2019 году. Он состоит из пористой алюминиевой подложки с нанесенными на нее углеродными нанотрубками — плоскими листами из атомов углерода, свернутыми в трубочки нанометрового диаметра. Такая структура почти полностью поглощает свет в диапазоне от дальней инфракрасной области до ультрафиолета.
Объяснение оптических свойств абсолютно черного тела сыграло ключевую роль в рождении квантовой механики. Но, по мнению Алексея Калачева, директора ФИЦ КазНЦ РАН, это было лишь первым шагом:
Квантовой стала сама оптика. Сегодня мы изучаем и используем такие состояния света, которые невозможно получить с помощью привычных источников. Эти состояния помогли зафиксировать гравитационные волны, а также стали основой целого ряда протоколов квантовой криптографии.
Квантовый прогресс не обошел стороной и другие области науки: химию, информатику, электронику.
Глядя теперь на причудливую игру света, идущего от угольков в костре или мангале, мы можем видеть немного больше. Например, угольки не светятся равномерно, а мерцают. Это температурные волны, вызванные потоками воздуха или неравномерностью горения. До наших глаз донес эту информацию свет, состоящий их квантов, рожденных в переходах между энергетическими уровнями электронов в атомах углерода. Без понимания этих закономерностей человечество никогда не совершило бы прорыв в квантовой механике, плодами которого стали вещи, делающие нашу жизнь удобнее. Например, смартфоны.