Спектр

 

Итак, спустя около 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно, чтобы фотоны не мешали ядрам объединяться с электронами. После эпохи рекомбинации наступили Тёмные века — промежуток между рождением нейтральных атомов и зажиганием первых звёзд. Но звёзды появятся ещё через сотни миллионов лет, а пока во Вселенной было сравнительно спокойно. Из основных обитателей — только мы с гелием. А ещё — непрерывное расширение пространства, освободившиеся реликтовые фотоны и … моё излучение на волне 21 см, о котором я скоро расскажу.

Напомню, что свет бывает разным и различается длиной волны, частотой и энергией. И энергия здесь особенно важна. Чем выше частота света, тем больше энергии несёт каждая его порция. Поэтому радиоволны — излучение низкой частоты — несут сравнительно мало энергии, видимый свет — больше, ультрафиолет уже способен ломать химические связи, а рентгеновские и гамма-лучи настолько энергичны, что могут глубоко проникать в вещество и менять его устройство.

Раз свет — это энергия, то наше с ним общение — это постоянный обмен этой энергией. Но здесь вступают в силу строгие правила квантового мира.

Мой электрон не может находиться где угодно. Внутри меня есть своего рода лестница из разрешённых энергетических состояний. Самая нижняя ступенька — основной уровень — это место, где электрону спокойнее всего. В этом состоянии он обладает наименьшей энергией и может оставаться очень долго. Все остальные ступеньки называют возбуждёнными уровнями.

Чтобы подняться выше, электрону достаточно поглотить фотон. Но не любой. Нужен квант с энергией, в точности равной разнице между двумя разрешёнными уровнями. Если энергия фотона чуть меньше или чуть больше, поглощения не произойдёт. Но если совпадение точное, происходит квантовый прыжок.

Долго на верхних ступенях электрон обычно не задерживается. Очень быстро он стремится вернуться вниз, а лишнюю энергию испускает в виде нового фотона. Так рождается свет.

Если же рядом оказывается слишком энергичный фотон, то он может выбить электрон из моих объятий вовсе. Как когда-то давно, до эпохи рекомбинации. Этот процесс называется ионизацией. Я снова остаюсь одиноким ядром и почти теряю способность излучать свет, пока не поймаю нового спутника.

Когда все длины волн видимого света присутствуют вместе и примерно поровну, твой глаз воспринимает это как белый цвет. Пропустишь такой свет через стеклянную призму или каплю воды — и перед тобой развернётся радуга. Красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий, фиолетовый — все цвета без пропусков, плавно перетекающие друг в друга. Физики называют это сплошным спектром: все длины волн присутствуют, разрывов нет.

Именно так светит раскалённое тело — например, нить лампочки или поверхность звезды. Чем горячее тело, тем ярче и тем сильнее его свет смещается в сторону коротких волн. Но главное — он непрерывный, сплошной.

Мой спектр — совсем другой.

Поскольку набор моих «ступенек» неизменен, я могу поглощать и испускать только строго определённые порции энергии, а значит — только свет строго определённых частот. Поэтому, если разложить мой свет по длинам волн, вместо непрерывной полосы появятся лишь отдельные яркие линии. А если я нахожусь на пути чужого света, то в его спектре, наоборот, возникнут тёмные провалы — в тех местах, где я забрал подходящие мне фотоны.

У каждого элемента свой собственный набор разрешённых уровней, а значит, и свой неповторимый рисунок таких линий. И мои линии — мой уникальный штрихкод, по которому меня узнают среди множества других элементов.

Среди этих линий есть одна особенная — почти неслышимая.

Она рождается не при обычном переходе электрона между энергетическими уровнями, а при гораздо более тонком изменении. Мои протон и электрон ведут себя как крошечные магнитики, и их взаимная ориентация может быть либо параллельной, либо противоположной. Состояние, когда наши «магнитные полюса» смотрят в одну сторону, требует чуть больше энергии. Как только происходит переход в более устойчивое, противоположное положение, этот крошечный излишек энергии высвобождается. В этот миг я испускаю очень слабый фотон с длиной волны около 21 сантиметра.

Для одного атома это событие почти невероятно редкое — примерно раз в десять миллионов лет. Но нас во Вселенной так много, что вместе мы создаём различимый сигнал. Этот коллективный шёпот заполнял космос ещё до того, как зажглись первые звёзды.

Особенно важно то, что эта волна относится к радиодиапазону. Такой свет легко проходит сквозь межзвёздную пыль, которая скрывает от глаз огромные области Галактики. Поэтому, даже когда обычный свет бессилен, мой радиошёпот продолжает идти через тьму почти без помех. Именно по нему ваши радиотелескопы находят меня в самых тёмных уголках Млечного Пути и составляют карту распределения атомарного водорода.

И последнее, что важно понять про мои отношения со светом. Я не решаю, когда испустить фотон. Квантовая физика — не театр с сознательными актёрами. Если я оказался в возбуждённом состоянии, существует некоторая вероятность вернуться в состояние с меньшей энергией. Когда именно — неизвестно даже мне самому. Такова уж природа вещей.

Но вне зависимости от момента, когда я испускаю квант света, люди всегда будут видеть не сплошной поток, а набор чистых, строго разрешённых «нот». Из-за этого мой свет так ценят астрономы. Они не видят меня самого. Но они видят линии в спектре — и по ним понимают, как быстро я движусь, насколько горяч газ вокруг меня и кто находится рядом со мной.

Назад | Оглавление | Далее