Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Я предпочитаю находиться на расстоянии примерно пары километров от места удара молнии. Как только вспышка молнии просигнализирует о том, что звуковая волна уже движется в мою сторону, я рисую в своем воображении, как гигантские концентрические круги давления распространяются во всех направлениях. Глядя на окружающий меня ландшафт, я, конечно, не могу их видеть, но требуется лишь несколько секунд, чтобы первый раскат грома достиг моих ушей. Эти звуковые волны распространяются в воздухе со скоростью примерно 340 метров в секунду (более 1200 км/ч), то есть на прохождение одного километра звуковой волне понадобится примерно 3 секунды. Раскат грома подобен первоначальному звуку, возникающему в момент резкого расширения канала, по которому переносится электрический ток молнии; этот звук рождается где-то у поверхности земли. Однако у раскатов грома есть особенность, которая не позволяет спутать их с другими звуками: после первого раската грома звук слышится с места, расположенного несколько выше того, откуда донесся первый звук. Сначала второй звук ничем не отличается от первого, но ему понадобилось больше времени, чтобы меня достичь, поскольку он зародился не у самой земли, а несколько выше, в результате чего ему приходится преодолевать большее расстояние. Затем, когда гром продолжает грохотать, я слышу звуки, доносящиеся со все большей и большей высоты, хотя их породила одна и та же молния. Если требуется примерно шесть секунд, чтобы первый раскат грома достиг моих ушей (напоминаю, что я нахожусь на расстоянии примерно пары километров от места удара молнии), то, чтобы услышать звук той же молнии, образовавшийся на высоте пары километров, понадобятся еще две с половиной секунды. Эти звуковые волны сгенерированы практически одновременно, но на разных высотах. А это означает, что я могу наблюдать, как атмосфера воздействует на них. Разница между звуковыми волнами (раскатами грома), порожденными одной и той же молнией, заключается в том, что они проходят разные расстояния, прежде чем достигнут моих ушей. В результате звуки самой высокой тональности, первый раскат грома, затухают очень быстро, поскольку волны более высоких частот интенсивно поглощаются атмосферой, тогда как низкочастотные затухают медленно и глухие раскаты грома звучат довольно долго. Чем больше времени с момента появления вспышки молнии, тем большие расстояния преодолевают слышимые мною звуковые волны, тем ниже и ниже становится в целом тон этих звуков, потому что высокочастотные составляющие уже поглощены воздухом, тогда как низкочастотные все еще продолжают звучать. Если вы находитесь достаточно далеко от места удара молнии, воздух поглотит все звуки и они никогда не достигнут ваших ушей. Но радиус действия световой вспышки, возникающей при ударе молнии, намного больше: световые волны гораздо слабее поглощаются воздухом, чем звуковые. Правда, перемещаясь в нашем мире, они могут изменяться другими способами.

В каком-то смысле волны очень просты. После возникновения волны она начинает куда-то двигаться. Прекращение движения означает конец ее существования. О каких бы волнах ни шла речь – звуковых, океанских или световых, – они могут отражаться, преломляться или поглощаться средой, в которой движутся. Вся наша жизнь проходит посреди этого сложного переплетения волн. Анализируя его, мы получаем представление о своем окружении. Наши глаза и уши настроены на происходящие вокруг нас колебания, которые являются носителями двух очень важных «предметов потребления»: энергии и информации.

⁂

В пасмурный холодный зимний день поджаренный, хрустящий, аппетитный ломтик хлеба способен значительно поднять настроение. Единственная проблема – это удовольствие не находится «на расстоянии вытянутой руки», тост еще нужно приготовить, а для этого требуется время. Обычно я ставлю на огонь чайник, затем кладу ломтик хлеба в тостер, а потом начинаю нетерпеливо мерить шагами кухню в ожидании, пока мое любимое лакомство будет готово. Сполоснув кипятком чашку и заварочный чайник и расчистив на кухонном столе место для трапезы, я заглядываю в тостер, чтобы выяснить, на какой стадии находится приготовление тоста. Вообще, тостеры нравятся мне потому, что позволяют непрерывно контролировать процесс, убеждаясь в том, что нагревательные элементы накалились докрасна. Они не только нагревают воздух, контактирующий с ними, но и излучают световую энергию. И это сияние служит своего рода встроенным термометром. Вы можете определить, насколько сильно раскалился нагревательный элемент, по его цвету. Ярко-красный цвет нагревательного элемента говорит о том, что температура внутри тостера достигла 1000 ℃. Это очень высокая температура. Во всяком случае достаточная для того, чтобы расплавить алюминий или серебро. Но если нечто накалилось до ярко-вишневого цвета, значит, температура этого «нечто» достигла 1000 ℃. Другие цвета свидетельствуют о других температурах. Это правило вытекает из самого механизма действия Вселенной. Если взглянуть на горящую груду угля, то можно заметить, что внутри нее горящий уголь светится ярко-желтым цветом. Это свидетельствует о том, что температура внутри этой груды достигла 2700 ℃. Предмет, накалившийся добела, разогрет до температуры порядка 4000 ℃ или даже больше. На первый взгляд это может показаться странным. Какое отношение цвет имеет к температуре?

Заглядывая внутрь тостера, я наблюдаю за превращением тепловой энергии в световую. Одна из самых элегантных особенностей действия механизма Вселенной заключается в том, что любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, постоянно преобразует часть своей энергии в световые волны. А свет должен пребывать в движении, поэтому световая энергия, создаваемая объектом, излучается в окружающую среду. Нагревательный элемент, накалившийся докрасна, преобразует часть своей энергии в световые волны красного цвета, расположенные на длинноволновом краю спектра. Но большая часть излучаемой нагревательным элементом энергии характеризуется еще большей длиной волн; их мы называем инфракрасными. Инфракрасные световые волны в принципе ничем не отличаются от видимого света, за исключением большей длины волны. Их можно обнаружить лишь косвенным способом, ощутив тепло в том месте, где происходит их поглощение. Хотя инфракрасные световые волны невидимы, в тостере они играют важную роль, ведь именно они нагревают тост.

Горячие объекты на одних длинах волн испускают больше света, чем на других. При любой температуре существует некая пиковая длина волны, на которую приходится львиная доля свечения, причем излучаемый свет ослабевает по обе стороны от этого пика. Тостер выдает большую порцию инфракрасного света и в качестве дополнения – видимый красный свет. Поэтому я вижу красное свечение. Я не вижу свет, который действительно поджаривает мой хлеб, но я вижу «хвост» от более длинных волн – красный свет.

Если бы у меня был супертостер, который мог бы разогреваться до более высоких температур, например до 2500 ℃, то его нагревательные элементы раскалялись бы до желтого цвета, потому что объект, нагретый до более высоких температур, излучал бы свет с более короткими длинами волн, в результате чего видимый «хвост» включал бы большее число цветов радуги: красный, оранжевый, желтый и чуть-чуть зеленого. Когда мы видим и красный, и зеленый свет вместе, то воспринимаем его как желтый. Лишь объект, нагретый до такой температуры, излучал бы свет именно в этом диапазоне спектра. А если температуру еще повысить (то есть, если бы у меня был гипертостер, который бы разогревался до температуры порядка 4000 ℃), то излучаемый свет включал бы все цвета радуги – вплоть до синего. А наблюдая сразу все цвета радуги, мы видим белое свечение. Таким образом, объект, раскаленный добела, в действительности излучает все цвета радуги, но они перемешаны между собой. Недостаток такого гипертостера – он расплавится в процессе работы независимо от того, из какого материала изготовлен. Но зато он очень быстро поджаривал бы ваши тосты. А заодно и вашу кухню.