Речовина і світло
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Наші знання про будову речовини, особливо за останні десятиліття, надзвичайно розширилися. Багато що відомо не тільки про порівняно просту форму речовини, таку, як газ, але також і про рідини і тверді тіла. Фізика починає зараз проникати і в таємниці найскладніших речовин, що складають основу живої матерії. Але при всій різноманітності, достатку і глибині наших знань про будову речовини – а може бути, саме з цієї причини – ми усвідомлюємо, що наші знання в цій галузі ще дуже далекі від повноти і досконалості.
Всі ми добре знаємо, що основою речовини (принаймні, в звичайних умовах) є атом. Він має ядро, що містять протони і нейтрони, і оболонку, що складається з електронів. Так як це всім добре відомо, то питання «Що таке речовина?» зазвичай не викликає особливих труднощів. Відповідають: «Речовина побудована з атомів». Однак ця відповідь не на поставлене запитання, а на інше: «З чого побудована речовина?».
Щоб відповісти на питання «Що таке речовина?», треба знати природу тих частинок, з яких вона складається. На це питання ми відповісти не можемо, тому зупинимося на іншому: «В чому відмінність частинок речовини від інших видів матерії?». І в зв’язку з цим я хотів би порівняти речовину і світло.
Треба сказати, що світло представляється нам чимось другорядним у порівнянні з речовиною. Це відбувається тому, що ми живемо в світі, де панують низькі температури. Чим вище температура, тим більшу роль відіграє світло. При температурах, близьких до «зоряних», роль світла в різних процесах величезна. (До речі велику роль світло відіграє і в багатьох сучасних пристроях, такий як скажімо Tronsmart Vega S95 Telos – медіаплеєр на Андроїді, в основі якого лежать деякі наукові дослідження в області світла).
«Що таке світло?» Досить вдуматися в це питання, щоб зрозуміти, наскільки воно важке. Якщо ви візьмете підручники фізики, то навряд чи знайдете там відповідь. Зазвичай це питання автори обходять і частіше говорять лише про енергію, яку несе світло і яку не зовсім вдало називають променистою енергією. Іноді в книгах світло прямо ототожнюється з енергією, що вже зовсім невірно. Чому це відбувається? Ми добре знаємо, що світло може випромінювати частки речовини, і перш за все електрони. Але випромінюючи або поглинаючи світло, електрон і раніше залишається електроном, змінюється тільки його енергія руху. А частка світла – фотон – народжується при випромінюванні світла і зникає при його поглинанні, тобто світло виконує роль переносника енергії від речовини до речовини.
Тут проявляється дуже суттєва особливість частинок світла – фотонів. Але відмінність між речовиною і світлом зовсім не така проста, як може здатися на перший погляд. У цьому легко переконатися на прикладі радіоактивних атомів.
Як відомо, бета-радіоактивні атоми випускають електрони. Є всі підстави припускати, що ці електрони не існували в ядрі до того, як були поширені. Вони народжуються в момент розпаду. Є і такий вид бета-радіоактивності, як радіоактивне K-захоплення, при якому електрон захоплюється ядром і перестає існувати, Таким чином, не тільки фотони, але і електрони теж можуть виникати і зникати. Однак закони перетворень цих частинок зовсім різні.
Існує бета-радіоактивний розпад, при якому атомні ядра випускають позитрони – частинки, схожі на електрони, але позитивно заряджені. Є всі підстави вважати позитрони частинками речовини, хоча в звичайній речовині вони не містяться. Виниклий в тому чи іншому процесі позитрон при зустрічі з електроном в дуже короткий термін зникає разом з ним (анігілює), перетворюючись в світло. Має місце і зворотний процес. Світло дуже короткої довжини хвилі здатне народжувати пару частинок – електрон і позитрон. Таким чином, можливі перетворення речовини в світло і світла в речовину.
Мені здається, що якби в навколишній нас природі вміст радіоактивних атомів був би значно більшим, то наші звичні уявлення про речовину багато в чому були б іншими.
Між світлом і речовиною існує тісний взаємозв’язок. Її чітко можна відчути, якщо звернутися до астрофізики. Як відомо, всі наші відомості про небесні тіла приносить світло. Проте, ми знаємо про астрономічні об’єкти разюче багато. Це говорить про те, що світло несе вельми детальну інформацію про особливості та склад речовини, яка його породила.
І ще одна обставина. Від далеких зірок світло йде до нас дуже довго, іноді мільйони років і навіть довше. Отже, світло може бути не менш, а навіть більш довговічним, ніж речовина. Правда, для цього необхідні зовсім особливі умови, а саме величезні розміри космічного простору, що практично не містять речовини. Однак і речовина стабільна тільки в певних умовах. Так, вільний нейтрон радіоактивний. Він перетворюється в протон, випускаючи електрон і антинейтрино. Те ж саме відбувається і в бета-радіоактивній речовині, що випускає електрони. Однак певні випадки взаємодії нейтронів і протонів в ядрі роблять нейтрони стабільними, і тоді атом може бути стійкий. Навпаки, в ядрі може виявитися нестійким протон. Тоді він перетворюється в нейтрон, і відбувається випущення ядром позитрона і нейтрино (позитропний бета-розпад).
Ми бачимо, таким чином, що питання про речовину і світло насправді незмірно складніше, ніж ми зазвичай думаємо.
Автор: І. Франк.