Вещество и свет

Луч

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 ведь не инструкция по настройке интерактивного телевидения Ростелеком. 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.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *