Вещество и свет

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Наши знания о строении вещества, особенно за последние десятилетия, чрезвычайно расширились. Многое известно не только о сравнительно простой форме вещества, такой, как газ, но также и о жидкостях и твердых телах. Физика начинает сейчас проникать и в тайны сложнейших веществ, составляющих основу живой материи. Но при всем разнообразии, обилии и глубине наших знаний о строении вещества — а может быть, именно по этой причине — мы сознаем, что наши знания в этой области еще очень далеки от полноты и совершенства.

Все мы хорошо знаем, что основой вещества (по крайней мере, в обычных условиях) является атом. Он имеет ядро, содержащее протоны и нейтроны, и оболочку, состоящую из электронов. Так как это всем хорошо известно, то вопрос «Что такое вещество?» обычно не вызывает особенных затруднений. Отвечают: «Вещество построено из атомов». Однако это ответ не на поставленный вопрос, а на другой: «Из чего построено вещество?».

Чтобы ответить на вопрос «Что такое вещество?», надо знать природу тех частиц, из которых оно состоит. На этот вопрос мы ответить не можем, поэтому остановимся на другом: «В чем отличие частиц вещества от других видов материи?». И в этой связи я хотел бы сопоставить вещество и свет.

Надо сказать, что свет представляется нам чем-то второстепенным по сравнению с веществом. Это происходит потому, что мы живем в мире, где господствуют низкие температуры. Чем выше температура, тем большую роль играет свет. При температурах, близких к «звездным», роль света в различных процессах огромна.

«Что такое свет?» Достаточно вдуматься в этот вопрос, чтобы понять, насколько он труден. Если вы возьмете учебники физики, то вряд ли найдете там ответ. Это сложное физическое понятие. Хотя разумеется для некоторых людей и осилить настройку интерактивного телевидения Ростелеком, словно мегазадача из квантовой механики. Но вернемся к свету, обычно этот вопрос авторы обходят и чаще говорят лишь об энергии, которую несет свет и которую не совсем удачно называют лучистой энергией. Иногда в книгах свет прямо отождествляется с энергией, что уже совсем неверно. Почему это происходит? Мы хорошо знаем, что свет могут излучать частицы вещества, и прежде всего электроны. Но излучая или поглощая свет, электрон по-прежнему остается электроном, меняется только его энергия движения. А частица света — фотон — рождается при излучении света и исчезает при его поглощении, то есть свет выполняет роль переносчика энергии от вещества к веществу.

Здесь проявляется очень существенная особенность частиц света — фотонов. Но различие между веществом и светом совсем не такое простое, как может показаться на первый взгляд. В этом легко убедиться на примере радиоактивных атомов.

Как известно, бета-радиоактивные атомы испускают электроны. Есть все основания предполагать, что эти электроны не существовали в ядре до того, как были испущены. Они рождаются в момент распада. Есть и такой вид бета-радиоактивности, как радиоактивный K-захват, при котором электрон захватывается ядром и перестает существовать, Таким образом, не только фотоны, но и электроны тоже могут возникать и исчезать. Однако законы превращений этих частиц совсем различны.

Существует бета-радиоактивный распад, при котором атомные ядра испускают позитроны — частицы, похожие на электроны, но положительно заряженные. Есть все основания считать позитроны частицами вещества, хотя в обычном веществе они не содержатся. Возникший в том или ином процессе позитрон при встрече с электроном в очень короткий срок исчезает вместе с ним (аннигилирует), превращаясь в свет. Имеет место и обратный процесс. Свет очень короткой длины волны способен рождать пару частиц — электрон и позитрон. Таким образом, возможны превращения вещества в свет и света в вещество.

Мне кажется, что если бы в окружающей нас природе содержание радиоактивных атомов было бы значительно большим, то наши обычные представления о веществе во многом были бы иными.

Между светом и веществом существует тесная взаимосвязь. Ее отчетливо можно почувствовать, если обратиться к астрофизике. Как известно, все наши сведения о небесных телах приносит свет. Тем не менее, мы знаем об астрономических объектах поразительно много. Это говорит о том, что свет несет весьма детальную информацию об особенностях и составе вещества, которое его породило.

И еще одно обстоятельство. От далеких звезд свет идет к нам очень долго, иногда миллионы лет и даже дольше. Следовательно, свет может быть не менее, а даже более долговечен, чем вещество. Правда, для этого необходимы совсем особые условия, а именно огромные размеры космического пространства, практически не содержащие вещества. Однако и вещество стабильно только в определенных условиях. Так, свободный нейтрон радиоактивен. Он превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино. То же самое происходит и в бета-радиоактивном веществе, испускающем электроны. Однако определенные случаи взаимодействия нейтронов и протонов в ядре делают нейтроны стабильными, и тогда атом может быть устойчив. Наоборот, в ядре может оказаться неустойчивым протон. Тогда он превращается в нейтрон, и происходит испускание ядром позитрона и нейтрино (позитропный бета-распад).

Мы видим, таким образом, что вопрос о веществе и свете в действительности неизмеримо сложнее, чем мы обычно думаем.

Автор: И. Франк.