Текст книги "Загадки мироздания"

Автор книги: Айзек Азимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 24 страниц)

Раздел II
О НЕЖИВОМ

Глава 10
ГОРЯЩЕЕ ВЕЩЕСТВО

С самого момента своего открытия горючий газ водород произвел на человечество революционное воздействие. С его помощью были повержены старые теории и установлены новые. Он уже два раза вел людей к звездам, а теперь этот газ предоставляет нам возможность получить безграничные запасы энергии, необходимой для будущих потребностей человека.

История водорода началась с пламени, поскольку в XVII веке первые химики получили при реакции железа с кислотой новый газ, который, как оказалось, взрывается при нагревании. Они назвали его «горючим газом».

Английский химик Генри Кавендиш, занявшийся изучением нового вещества в 1766 году, обнаружил, что тот способен порождать нечто более примечательное, чем пламя. Оказалось, что при сжигании этого газа и соединении его с чем-то, содержащимся в воздухе (как выяснилось позже – с кислородом), образуются капли жидкости, которая представляет собой не что иное, как воду. Вода, рождающаяся в пламени!

Мир химии был потрясен. Ведь тысячелетиями считалось, что вода – это первоэлемент, что ее невозможно получить из сочетания каких-то более простых элементов. Теперь же выходило, что вода – это продукт сочетания двух газов!

Горючему газу дали новое имя – «водород». Образование воды из водорода стало одним из козырей, позволивших французскому химику Антуану Лорану Лавуазье смести старые теории и заложить вместо них основы современной химии.

Но этим необычные свойства водорода не исчерпывались. Водород оказался не только горючим, не только источником воды, но и крайне легким по весу. Кубический метр водорода весит всего 90 граммов (для сравнения – кубический метр воздуха весит более чем в десять раз больше – 1 килограмм 300 граммов). На самом деле водород – вообще самое легкое вещество на свете.

В 1783 году французы братья Монгольфье наполнили горячим воздухом шелковый мешок и отпустили его вверх. Горячий воздух легче, чем холодный, поэтому получившийся шар поплыл по воздуху, как бревно – по реке. Когда же горячий воздух остыл, шар опустился.

Но зачем использовать горячий воздух, если новооткрытый газ, водород, оказался гораздо легче, чем любой воздух, даже в холодном состоянии? Его подъемная сила гораздо больше, и он вполне может нести гондолу по воздуху – вместе с сидящими в ней людьми.

В начале XIX века по всей Европе и Америке в воздух поднимались наполненные водородом воздушные шары. Для кого-то это были игрушки, захватывающее развлечение. Для ученых же это оказалось первой возможностью изучать небесные высоты – первым шагом на пути к звездам.

Кроме того, это изобретение можно было бы использовать и для коммерческого воздухоплавания, оставалось только обрести независимость от ветра. В 1900 году немецкий изобретатель граф фон Цеппелин построил воздушный шар сигаровидной формы с алюминиевым каркасом и снабдил его пропеллером. Так был изобретен дирижабль, и люди впервые в массовом порядке отправились покорять высоту на крыльях водорода.

Но нельзя забывать, что водород все же крайне огнеопасен. Огромный шар, наполненный водородом, всегда представляет собой хранилище взрывчатки, – и любой удар по такой цели будет безошибочен. А нанести такой удар может что угодно, например искра статического электричества. Так, в 1937 году вспыхнула наполненная водородом оболочка огромного дирижабля «Гинденбург», и весь корабль был уничтожен в течение нескольких минут.

Впрочем, к тому моменту дирижабли и так уже отживали свое. Ясно стало, что будущее – за летательными аппаратами тяжелее воздуха.

Так что похоже, что водороду найдется использование только на земле. Химики применяют его во множестве «восстановительных» реакций, например для превращения несъедобных овощных масел в полезные твердые жиры. А горючесть водорода нашла свое применение в водородных горелках, которые режут сталь, как масло.

Что же еще?

Несмотря ни на что, водород не сдался. Пламя горящего водорода заставило дирижабль рухнуть вниз, но оно же заставляет ракету лететь вверх! Конец эры дирижаблей совпал с началом эры ракет.

Обычный самолет может маневрировать только в воздухе, где содержится достаточное количество необходимого для сжигания топлива кислорода. Кроме того, воздух должен быть еще и достаточно плотен, чтобы поддерживать вес самой машины.

А вот ракета несет на борту и топливо, и кислород. Когда эти две составляющие объединяются, происходит взрыв и раскаленные газы вырываются из сопел вниз. По закону действия или противодействия, известному также как третий закон Ньютона в честь знаменитого английского ученого, открывшего этот закон в 1683 году, раз часть массы ракеты (газы) вылетает вниз, то вся остальная ракета должна лететь вверх, в противоположном направлении.

По мере того как выхлопные газы вылетают вниз, ракета движется вверх все быстрее. В конце концов она выйдет за пределы атмосферы (которая ей не нужна ни для поддержки, ни в качестве источника кислорода) и выйдет в космос.

Высота, на которую поднимется ракета, зависит, в частности, от того, каким образом выбрасываются выхлопные газы. Чем быстрее они вылетают (чем яростнее происходит реакция), тем больше скорость ракеты, а значит, и высота, на которую она поднимется. Поэтому ученые-конструкторы очень активно искали топливо, которое обеспечило бы наиболее бурную реакцию.

В первых ракетах, вроде игрушечных, что запускают на Четвертое июля [6]  [6]День независимости США. ( Примеч. пер.)


[Закрыть], или почти игрушечных, которые применялись в военных действиях XIX века, топливом служил порох. В порохе содержится богатое кислородом вещество селитра, а также углерод и сера, которые под воздействием нагревания вступают в активную реакцию с кислородом селитры. То есть в порохе тоже соединены топливо и кислород.

Но порох – не очень мощное топливо. В 1926 году американский изобретатель Роберт Годдард понял, что с помощью жидкого топлива можно добиться большего. И 16 марта упомянутого года запустил на ферме своей тетушки Эффи в Обурне, штат Массачусетс, первую в мире реактивную ракету на жидком топливе. Использованное им горючее – смесь бензина с жидким кислородом – оказалось в пять раз мощнее, чем тротил. Вскоре ракеты на таком топливе стали подниматься на многие километры в воздух со сверхзвуковой скоростью.

Первыми ракету с реактивным двигателем придумали американцы, но зрелости эта идея достигла в Германии. Во время Второй мировой войны немцы создали боевую ракету «Фау-2». После войны, в 1946 году, мы вывезли к себе в США некоторых немецких конструкторов и взялись за дело всерьез. К сожалению, сам Годдард не дожил до этого всего год.

Сочетание бензина с кислородом продолжали использовать и далее, но ясно было, что эта смесь не является идеальным горючим. Изо всех видов химического топлива энергичнее всего горит водород (в сочетании с кислородом или фтором). Поэтому ракета на водородном топливе могла бы подняться гораздо выше и нести более тяжелый груз, чем на смеси бензина с кислородом той же массы.

Казалось бы, снова настал звездный час водорода, но оставалась одна проблема. В обычной форме водород использовать нельзя – килограмм водорода занимает 9 кубических метров, а объема в любой ракете маловато.

Поэтому надо было перевести водород в какую-то более компактную форму. Можно было бы добиться этого путем сжатия под давлением, но это сложно и опасно. Впрочем, существует еще один способ уменьшить газ в объеме без нагнетания давления – остудить его до жидкого состояния.

После Второй мировой войны компактный водород необходим был не только для ракетных двигателей – шли работы по созданию новой бомбы.

Обычная атомная бомба, выбрасывающая энергию за счет расщепления урана – вроде той, с помощью которой было сломлено сопротивление Японии, – в новой бомбе должна была служить лишь детонатором еще более страшного взрыва. Причиной последнего стало бы насильственное слияние атомов водорода в гелий. Такая бомба получила название «термоядерной», или «водородной».

Так что необходимость в больших количествах жидкого водорода имелась налицо. Однако на пути к достижению этой цели оставался ряд препятствий.

Водород – очень распространенное вещество. Именно атомы водорода составляют две трети от всех атомов как в бензине, так и в океанской воде. А в живой ткани, в том числе и в вашем собственном организме, водород составляет три пятых от общего количества атомов. Да и в земной коре почти каждый тридцатый атом – водород.

Однако сам по себе, не в соединении с другими элементами, водород не встречается. Выделение же атомов кислорода из различных молекул было поначалу процессом сложным и дорогим. Это делалось путем обработки некоторых металлов кислотами или пропускания электрического тока через воду – для скромных нужд XIX века таких технологий было достаточно.

Вскоре после Второй мировой войны представители группы нефтяных и газовых компаний собрались для разработки совместного проекта по производству горючего из природного газа. Ими была изобретена технология сжигания природного газа с последующим глушением пламени в нужный момент для того, чтобы реакция горения осталась незавершенной и вместо углекислого газа и воды ее продуктами оказались угарный газ и водород. Эти два газа при определенных условиях можно снова объединить с получением топлива.

Сработало. Но получение горючего таким образом оказалось экономически нерентабельным по сравнению с получением его из огромных естественных нефтяных месторождений, обнаруженных во время и после войны. Однако научная работа была проведена не зря. Разработанный учеными механизм оказался самым дешевым способом получения водорода.

Следовательно, когда в середине XX века возникла потребность в большом количестве водорода, ее было чем удовлетворить. А вот предоставить водород непременно в жидком виде оказалось сложнее.

На протяжении всего XIX века химики пытались сжижать газы. Некоторые, например хлор и диоксид серы, легко поддавались усилиям исследователей. Стоило чуть остудить их, и они сразу же переходили в жидкое состояние. Впрочем, достаточно было и некоторого увеличения давления, без снижения температуры.

Другие же газы, например кислород, азот и водород, упорно отказывались сжижаться, несмотря ни на значительное снижение температуры, ни на повышение давления. Их классифицировали как «постоянные газы». Однако уже в 1869 году химиками было обнаружено, что, если не опустить температуру ниже некоей «критической точки», то никакое давление не поможет перевести газ в жидкую форму. Получается, что для таких газов, как кислород, азот и водород, такая критическая точка находится на очень низкой отметке температурной шкалы.

Тогда химики сосредоточили свои усилия на снижении температуры, и к 1880-м годам удалось перевести в жидкую форму кислород и азот. Азот дался труднее. Жидкий азот закипает при -195 °С, а водород даже и при этой температуре остается газом.

И только в 1895 году английский химик Джеймс Дьюар сумел первым получить жидкий водород. Температура кипения этого вещества оказалась -53 °С, лишь на 20 градусов выше абсолютного нуля – самой нижней точки температурной шкалы.

Итак, оказалось, что жидкий водород получать можно, а если затратить достаточно усилий – его можно получать и в большом количестве. Однако еще на протяжении пятидесяти лет он оставался не более чем лабораторным курьезом.

Главной проблемой в отношении жидкого водорода было то, что эта жидкость крайне нестабильна и в любой момент может испариться. Самая тщательная лабораторная изоляция помогала лишь до определенной степени, поскольку жидкий водород сам по себе генерирует некоторое количество тепла.

Это явление заслуживает отдельного объяснения. При обычных условиях водород существует в виде скопления молекул, каждая из которых представляет собой пару атомов.

Каждый атом водорода состоит в основном из одной центральной постоянно вращающейся частицы, именуемой «протоном». В одних молекулах водорода протоны обоих атомов вращаются в одном направлении; в других – в противоположном. Первая разновидность водорода получила название «ортоводород», а вторая – «параводород». В обычном газообразном водороде три четверти молекул – это ортоводород, а оставшаяся четверть – параводород.

В молекуле ортоводорода содержится больше энергии, чем в молекуле параводорода. При переходе водорода в жидкую форму ортомолекулы постепенно превращаются в менее энергичные парамолекулы. Разница в энергетическом уровне орто– и параводорода в таком случае высвобождается в виде тепла.

Постепенное превращение ортомолекул в парамолекулы приводит к постепенному же нагреванию общей массы жидкого водорода и выпариванию последнего со скоростью один процент в час, даже если камера с водородом идеальным образом изолирована. Более того, если камера не вентилируется, то давление в ней может при этом возрасти до опасного уровня.

Напрашивается решение проблемы путем предварительного превращения всех ортомолекул в парамолекулы. Тогда мы получим чистый параводород, который, при должной изоляции, можно держать в жидком состоянии очень долго.

Существуют вещества, способные послужить катализаторами процесса и ускорить такое превращение. К примеру, уже в 1929 году было обнаружено, что ускорению нужного превращения способствует угольный порошок. А в 1952 году, когда нужда заставила, ученые выяснили, что с помощью особым образом обработанного оксида железа можно за несколько секунд превращать ортоводород в параводород в больших количествах.

После доработки процедуры в промышленных масштабах стало возможным массовое получение жидкого водорода в такой форме, когда в условиях должной изоляции путем испарения жидкость теряет один процент не за час, а за трое суток. Цена производства такого водорода упала до одного доллара за килограмм, и сейчас строятся заводы, где будет вырабатываться по двадцать и более тонн водорода в сутки. Потребность человечества в водороде удовлетворена полностью и останется удовлетворенной, несмотря на свой постоянный рост.

Кажется, брезжит еще один, новый способ использования водорода – для производства электроэнергии. Как правило, электричество вырабатывается генератором, работающим на тепловой энергии горящего угля или мазута (или на энергии падающей воды). При переходе энергии из тепловой формы в электрическую значительная часть ее неизбежно теряется. Если бы можно было объединять топливо с кислородом напрямую в единой электрической батарее (так называемой «топливной батарее»), то весь процесс в целом можно было бы сделать более эффективным.

В экспериментах по созданию топливных батарей испытывались различные виды топлива: угольный порошок, угарный газ, метан. Трудности практического характера, лишающие такие батареи экономической рентабельности, велики, но преодолимы. Наиболее перспективной кажется на сегодняшний день водородно-кислородная топливная батарея. Такие батареи уже работают, по крайней мере в небольших масштабах, и, возможно, не за горами тот день, когда с помощью водорода электричество станет, таким образом, дешевле и доступнее.

После войны жидкий водород получил новое, экзотическое применение в пузырьковых камерах, предназначенных для отлавливания странных короткоживущих ядерных частиц, производимых мощными современными машинами, расщепляющими атомы. Изобрел эти камеры в 1952 году американский физик Дональд Глейзер. Одна пузырьковая камера находится в Калифорнийском университете – она имеет длину 1,2 метра и содержит 570 литров жидкого водорода.

Но и для топливных батарей, и для пузырьковых камер требуется сравнительно немного жидкого водорода. Основной расход всего жидкого водорода, который может произвести современная промышленность, – это использование в качестве топлива ракет и реактивных двигателей. В частности, жидкий водород может питать энергией те огромные ракеты, что унесут человека на Луну.

Одна из причин, побуждавших государства после войны в спешке производить жидкий водород в огромных объемах, исчезла. Да, в первых примитивных водородных бомбах действительно использовался жидкий водород, но это оказалось непрактичным. Соблюдение требований к изоляции приводило к настолько значительному увеличению размера и веса бомбы, что она превращалась в нечто чудовищное и неподъемное.

Очевидным выводом стало использование не самого водорода, а соединения водорода с легким металлом – литием. Соединение это, гидрид лития, оказалось не менее взрывчатым после взрыва запала, чем сам водород. При этом гидрид лития является твердым веществом при обычной температуре, представляя собой, таким образом, хранилище водорода в компактном виде безо всякой изоляции или нагнетания давления. В таком виде водородная бомба сразу стала готовой к размещению на борту самолета или в ракетной боеголовке.

Мы все, конечно, надеемся, что водородная бомба никогда не будет использована. Но вот другой вариант применения процесса слияния ядер водорода, напротив, является предметом надежд всего человечества. Если человек научится управлять этим процессом и сможет сделать его медленным и постоянным, то все энергетические потребности человека будут удовлетворены на неопределенный срок.

Необходимо всего лишь поднять температуру некоторого объема водорода до точки, при которой начнется слияние, а дальше процесс станет поддерживаться самостоятельно. Причем желательно обойтись при этом без атомной бомбы. Решить эту задачу было бы легче, если бы можно было заставить атомы водорода вступать в слияние при как можно более низкой температуре.

Этого можно добиться, если использовать водород достаточно редкого вида. Я уже упоминал о том, что в атоме водорода содержится частица, именуемая протоном. Однако примерно в одном атоме водорода из 7 тысяч содержится, помимо протона, еще одна частица, получившая название «нейтрон». Атом водорода, чье ядро содержит и протон, и нейтрон, имеет массу в два раза больше обычного атома, за что его и назвали «тяжелым водородом», или «дейтерием» (от греческого «второй», поскольку он содержит еще и «вторую», «дополнительную» частицу).

Дейтерий открыл в 1932 году американский химик Гарольд Юри. Разница в массе в два раза позволяет сравнительно легко выделить этот элемент из общей водородной массы, но в течение десяти лет его продолжали считать не более чем академически любопытным отклонением от нормы. И только во время Второй мировой войны выяснилось, что вода, в состав которой входит дейтерий (так называемая «тяжелая вода»), может представлять собой важный элемент ядерного реактора.

Но мало того – уже после войны выяснилось, что слияние дейтерия происходит гораздо легче, чем слияние обычного водорода. Поэтому при всех попытках овладеть реакцией слияния водорода стал использоваться только дейтерий.

Но даже в этом случае речь все еще идет о температуре в миллионы градусов, при которой атомы дейтерия распадаются на смесь элементарных частиц, именуемую «плазмой». Температура плазмы слишком высока, чтобы можно было давать ей соприкасаться со стенками камеры, из какого бы материала она ни была сделана. Но, пользуясь тем, что плазма электрически заряжена, ученые сумели удержать ее на месте не стенками, а электромагнитными полями.

Проблема сложная, но с каждым годом нам удается поднимать температуру дейтерия все выше и удерживать ее все дольше. Не за горами тот день, когда человек полностью овладеет слиянием водорода.

А тогда, может быть, еще до конца XX века по всей Земле появятся принципиально новые электростанции. Питаться они будут от небольших камер с жидким дейтерием, которые повсеместно придут на смену вагонеткам с углем и танкерам с нефтью. И именно водород, в той или иной форме, сможет не только пронести человека к звездам, но и помочь ему преодолеть бедность и несчастье на самой Земле.

Глава 11
ДА БУДЕТ НОВЫЙ СВЕТ!

В 1960 году американский физик Теодор Гарольд Мейман подверг брусок искусственного рубина облучению ярким светом. Оказалось, что поглощаемый материалом свет снова испускается наружу, но в измененном виде. Теперь весь свет представлял собой тонкий луч насыщенного красного цвета, исходящий из торца бруска.

Такого света еще никто никогда не видел. Более того, такого света раньше никогда не существовало ни на Земле, ни где-либо еще во всей Вселенной – насколько нам известно. Искусственный рубин Меймана стал первым в мире лазером – устройством, в котором мы сегодня видим как луч смерти, так и волшебный инструмент для хирургии, фотографии, коммуникаций, изучения космоса и еще с полдесятка областей.

Что же такого уникального в этом лазерном луче? С виду – просто цветной луч, каких и раньше люди видели предостаточно. Значит, есть в нем что-то, невооруженным глазом неразличимое? Чтобы понять, что именно, надо сначала вкратце рассказать о природе обычного света.

Представим себе свет как поток волн. Резонно было бы задаться в таком случае вопросом: «волн в чем?», и этот вопрос поставил бы нас в тупик, но сейчас мы в такие тонкости углубляться не будем. Просто представим себе некие волны, и все.

Не стоит думать, что представить свет в виде волн – значит нарисовать волнистую линию вдоль всей протяженности луча света. Свет от далеких звезд попадает к нам через триллионы километров, так что «вся протяженность» окажется в таком случае немалой. Вместо этого, представим себе волны разбитыми на маленькие отрезки, по несколько колебаний на каждом. В дальнейшем мы будем называть эти отрезки «фотонами», от греческого слова, означающего «свет».

Фотоны очень малы. Сорокаваттная лампочка, свет от которой, как мы все сами видели, слаб и тускл, испускает около квинтиллиона (1 000 000 000 000 000 000) фотонов в секунду.

Между собой фотоны не всегда одинаковы. Самое важное отличие одних фотонов от других в том, что одни несут больше энергии, чем другие. В подробности того, «что такое энергия», мы сейчас углубляться тоже не будем, ограничившись утверждением о том, что фотон с более высоким энергетическим содержанием может делать нечто, чего фотон с более низким делать не может.

К примеру, красный свет состоит из фотонов, энергия которых в два раза меньше, чем энергия фотонов фиолетовых. Попадая на обычную фотопленку, фотоны красного света, не имея на то достаточно энергии, не производят никаких химических изменений в покрывающем пленку составе. Если же на пленку попадают более энергетически насыщенные фотоны фиолетового света, то химикаты состава распадаются и пленка затуманивается.

Именно поэтому в фотолабораториях, где проявляют и печатают фотографии, используется освещение красным светом. Ведь такой свет безвреден для пленки.

В солнечном свете содержатся фотоны с самым разнообразным энергетическим содержанием. В нем присутствуют все фотоны, способные воздействовать на сетчатку наших глаз, которую можно рассматривать как живую и очень сложную фотопластинку, а кроме того – фотоны недоступного нашим глазам инфракрасного света, несущие меньше энергии, чем любой видимый свет, и также невидимого ультрафиолетового света, несущие больше энергии, чем фотоны любого цвета, доступного глазу. В целом же все формы света, как видимого, так и невидимого, можно рассматривать также как электромагнитное излучение.

Фотоны ультрафиолетового света несут так много энергии, что могут повредить сетчатку, именно поэтому опасно долго смотреть прямо на солнце. Энергии, содержащейся в фотонах ультрафиолетового света, хватает даже для того, чтобы приводить к химическим изменениям в нашей коже, благодаря чему кожа обретает загар.

Фотоны рентгеновских лучей и гамма-излучения, несущие энергии еще больше, чем ультрафиолет, могут пробивать путь прямо сквозь тело человека. Если при этом они повреждают определенные молекулы, то производимые при этом химические реакции приводят к тяжелым, часто смертельным последствиям для здоровья. Именно поэтому людям, работающим с радиоактивными веществами, и сотрудникам атомных электростанций приходится соблюдать столько предосторожностей, чтобы не подвергнуться облучению.

Раз мы представили фотоны короткими отрезками волн, то пора объяснить, чем же фотоны с высоким содержанием энергии отличаются от фотонов с низким. Обратим внимание на длину каждого отдельного колебания. Представим себе отрезок волны длиной в один дюйм и нарисуем столь плавный ее изгиб, что на всю длину получится только одно колебание. А рядом нарисуем другой отрезок, тоже длиной в один дюйм, но теперь на этом дюйме будет умещаться десять колебаний.

Количество колебаний на участке волны определенной длины является для этой волны важной характеристикой – частотой. Частота волны, в которой на дюйм приходится десять колебаний, – в десять раз выше, чем волны, где одно колебание занимает целый дюйм длины.

Чем больше энергетическое содержание фотона, тем выше частота соответствующего света. В фотоне красного света на сантиметр волны приходится около 14 000 колебаний, фиолетового – вдвое больше, около 28 000. Разница в частоте световых волн видимой части спектра и обеспечивает нам ощущение разных цветов.

Теперь давайте разберемся, откуда же берутся эти фотоны? Для этого нам придется рассмотреть строение самой материи, из которой состоит Вселенная.

Материя состоит из крошечных частиц, которые называют атомами. Атомы, как и более мелкие частицы, входящие в их состав, как и более крупные частицы, в состав которых входят сами атомы, содержат энергию. Чаще всего энергия проявляет себя движением – частицы, обладающие большей энергией, движутся или вибрируют быстрее.

Частицы материи не просто «могут обладать энергией» – они могут обладать лишь определенными ее объемами. Частицы каждого конкретного вида могут обладать энергией в типичном для них объеме, и ни в каком другом. Поэтому можно говорить о том, что каждая частица имеет некий характерный для нее энергетический уровень. Частица может иметь тот или иной, более низкий или более высокий, энергетический уровень, но ни в коем случае не некий промежуточный.

Можно провести аналогию с мелкой монетой. Если у вас в кармане звенят пятицентовики, то у вас может быть в общей сумме 45 или 50 центов, но 47 центов у вас быть не может. Если же ваши монетки – сплошь четвертаки, то 50 центов у вас в кармане по-прежнему может оказаться, а вот 45 – уже нет.

При сгорании куска дерева энергия, высвобождаемая при реакции соединения частиц дерева с частицами воздуха, переходит в энергию окружающего воздуха. Все частицы выбрасываются наружу с высоким уровнем энергии.

Однако они не сохраняют высокий уровень энергии навсегда. Все частицы имеют склонность к пребыванию на как можно более низком энергетическом уровне. Поэтому вскоре частицы, поднятые на высокий энергетический уровень, возвращаются обратно на низкий. При этом они отдают энергию в окружающее пространство в виде фотонов.

Если бы все частицы окружающей среды вокруг горящего дерева были бы одинаковы и все поднимались на один и тот же высокий энергетический уровень и возвращались на один и тот же низкий, то все отдаваемые фотоны имели бы одно и то же энергетическое содержание и одну и ту же частоту.

Но это не так. Дополнительную энергию получают абсолютно все виды частиц, и количество получаемой ими энергии может оказаться самым разным. Соответственно фотоны отдаются очень разные – некоторые из них (меньшинство, правда) лежат в видимой части спектра, поэтому пламя костра освещает окрестности. В солнечном свете тоже присутствуют фотоны самых различных частот, поэтому в нем представлен практически полный спектр всего света, который только существует в природе. Еще пару десятилетий назад ученые считали, что эта мешанина частот является практически неотъемлемым свойством любого света.

Теперь предположим, что все частицы, с которыми мы имеем дело, принадлежат исключительно к одному типу и что все молекулы, таким образом, получают один и тот же невысокий уровень энергии.

В таких условиях отдельные частицы постоянно будут то набирать достаточно энергии, чтобы переместиться на следующий энергетический уровень, то снова терять набранный излишек энергии в виде фотона определенной частоты. Среди рассматриваемых частиц всегда будут такие, которые уже набрали энергию и находятся в данный момент в процессе ее потери. Так что из такой системы всегда будут испускаться фотоны, причем одной и той же частоты, и в результате мы будем иметь луч постоянной частоты.

К примеру, было обнаружено, что аммиачный газ можно заставить испускать определенное низкочастотное излучение, получившее название «микроволна». Частота микроволнового излучения от аммиака – меньше одного колебания на сантиметр. Сравните с 14 000 колебаний красного света!

Эти колебания – ровны и неизменны. Они постояннее, чем колебания любых рукотворных маятников или даже небесных тел. В 1949 году американский физик Гарольд Лайонс показал, как можно с помощью этих колебаний управлять изменением времени, и изобрел атомные часы, гораздо более точные, чем любые другие часы, известные на тот момент. Но с помощью такого излучения можно не только измерять время.

Частицы, из которых состоит аммиак, перескакивают с более низкого энергетического уровня на более высокий тогда, когда поглощают фотон с соответствующим содержанием энергии. Но что происходит, если фотон попадает в частицу, которая уже и так имеет высокое энергетическое содержание? Может быть, оно становится еще выше? Нет!

В 1917 году Альберт Эйнштейн показал, пользуясь чисто теоретическими доводами, что, если фотон соответствующего энергетического значения попадет в частицу, уже находящуюся на высоком энергетическом уровне, он не будет поглощен; напротив, частица, в которую он попадет, снова перескочит обратно на нижний энергетический уровень.

При этом молекула, перемещающаяся уровнем ниже, испускает еще один фотон, в точности равный тому, который в нее попал. Более того, даже двигаться этот фотон будет в том же направлении, что и первый. В результате получится, что после удара фотона в молекулу мы будем иметь два фотона одной и той же частоты, движущиеся вместе.

Что же произойдет, если каждый из этих двух фотонов попадет в некие частицы, уже находящиеся на высоком энергетическом уровне? Каждая из них будет сброшена на более низкий энергетический уровень и при этом испустит по фотону, таким образом, всего мы будем иметь четыре фотона одинаковой частоты, движущиеся все вместе. Соответственно, если они все тоже попадут по частицам, находящимся на высоком энергетическом уровне, количество летящих вместе фотонов снова удвоится и т. д.