Вопреки нашим наивным предположениям, свет, который воспринимают наши глаза, составляет менее половины всего излучения, которое Земля получает от Солнца. Без научных приборов, регистрирующих то, что невидимо для глаз, наши знания о физической реальности были бы крайне ограниченны. Но, даже располагая необходимыми инструментами, мы должны помнить, что их возможности имеют границы, и обзор с нашего Острова знаний обладает своим горизонтом. Чем больше мы видим, тем к большему стремимся.

Видимый свет составляет всего 40 % от всего солнечного излучения, попадающего в верхние слои нашей атмосферы. Оставшаяся часть – это 50 % инфракрасного и 10 % ультрафиолетового излучения. Благодаря защите атмосферы лишь 3 % ультрафиолетовых лучей достигают поверхности планеты, а объем видимого света увеличивается до 44 %. В случае с Солнцем (как и во многих других случаях) то, что мы видим, и то, что мы получаем, – это совсем не одно и то же. Наши органы чувств были сформированы естественным отбором так, чтобы повысить наши шансы на выживание на этой планете. Жители других планет с другим атмосферным составом и большим или меньшим количеством звездного света могли бы развить у себя чувствительность к другим частям электромагнитного спектра. Даже на Земле ночные животные, пещерные и глубоководные существа имеют разные механизмы адаптации (вспомните, например, об эхолокации у летучих мышей и о свечении глубоководных рыб).

Все приведенные выше объяснения стали возможными в результате триумфа физики XIX века – описания света как вибрации электромагнитных полей. Каждый источник электромагнитного излучения можно свести к осциллирующим, или ускоряющимся, электрическим зарядам. В 1861–1862 годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, работавший в лондонском Кингс-колледже (моей альма-матер), доказал существование связи между электричеством и магнетизмом, что позволило ему совершенно по-новому описать взаимодействие материальных объектов. До этого подобные описания строились на понятии сил – например, силы притяжения Ньютона или силы, которую мы прилагаем к педалям велосипеда, когда едем в гору. Вдохновленный идеями Майкла Фарадея, Максвелл предложил свою знаменитую теорию электромагнитного поля. С тех пор именно она применяется в физике для объяснения взаимодействия самых разных объектов, от электронов до звезд. Сила – это производная поля.

Данная концепция стала настолько всеобъемлющей, что применяется уже не только к взаимодействиям между объектами. Мы можем говорить о температурном поле в помещении (то есть о том, как температура меняется от точки к точке) и о поле скорости воды в реке или ветра в атмосфере. Электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, представляющее собой его пространственное проявление. Другой заряд, приближающийся к первому, сможет почувствовать его присутствие на расстоянии, причем чем ближе будет первый заряд, тем выше окажется значение поля. Одинаковые заряды притягиваются, а противоположные отталкиваются. То же самое происходит и с магнитами. Вы можете провести быстрый эксперимент: снимите два магнита с холодильника и попытайтесь соединить их. В какой-то момент они начнут сопротивляться вашим действиям. Судя по всему, пространство вокруг магнитов наполнено чем-то, что заставляет их отталкиваться друг от друга. Это что-то называется магнитным полем. Точно так же и масса вашего тела создает вокруг вас гравитационное поле. Другие массы чувствуют его присутствие и притягиваются к нему с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния до вас.

При колебании электрического заряда поле колеблется вместе с ним. Чтобы понять, как это происходит, представьте себе пробку, болтающуюся на поверхности воды. По воде от нее расходятся двухмерные круги. Колеблющийся заряд точно так же испускает электрические волны, но в трех измерениях. По мере колебания его скорости также возникает магнитное поле, которое начинает колебаться вместе с электрическим. Одно поле цепляется за другое, и оба они постепенно удаляются от заряда. Отличие от кругов на воде только в том, что эти поля направлены перпендикулярно друг другу, как концы креста. Если заряд колеблется вверх и вниз, магнитное поле будет двигаться вправо и влево и волны будут перемещаться в направлении, перпендикулярном кресту (мы говорим об электромагнитных волнах, что они поперечны).[110]

Итак, движущийся заряд создает колеблющиеся электрические и магнитные поля, которые расходятся в пространстве. Максвелл показал, что в вакууме скорость такого их распространения равняется скорости света. Это подтолкнуло его к потрясающему выводу: свет представляет собой электромагнитное излучение, электрические и магнитные поля, распространяющиеся в форме волн. Единственное различие между, например, красным и фиолетовым цветом состоит в том, что длина волны у первого больше, чем у второго. Между короткими и длинными волнами в электромагнитном спектре находятся и другие типы излучения: радиоволны, микроволны, инфракрасные волны, видимое излучение, ультрафиолетовые волны, рентгеновские и гамма-лучи (самые короткие и обладающие наибольшей энергией).

Если свет (как уже упоминалось ранее, этим словом я обозначаю все виды электромагнитного излучения) – это волна, то в чем он распространяется? Другие, более привычные нам волны представляют собой колебания среды: волны могут возникать на поверхности воды, звуковые волны – это изменения давления воздуха, а если взять веревку за один конец и хорошенько встряхнуть, по ней тоже пойдут волнообразные движения. Так в чем же появляются волны света? Это одна из множества связанных с ним загадок. Сегодня мы знаем, что свету не нужна материальная среда для распространения. Он может двигаться в вакууме, и для этого ему нужно всего лишь содействие электрических и магнитных полей. Разумеется, свет может проходить и через материальную среду. Каждый из нас хотя бы раз открывал глаза под водой или смотрел через стекло. В результате движения в среде свет теряет часть своей скорости, так как световые волны заставляют электрические заряды, из которых состоит материальная среда, колебаться вместе с ними.

Для физика XIX века было очевидно, что свет отличается от других волн, так как для движения ему не требуется обычная среда. Тем не менее, по мнению Максвелла, что-то должно было выступать в ее роли. Он потратил много лет на создание все более и более странных механических моделей для объяснения распространения электромагнитных волн в пространстве. Например, он пытался ввести понятие новой среды, люминофорного эфира, предназначенной исключительно для переноса световых волн. За два века до этого Ньютон и голландский ученый Христиан Гюйгенс независимо друг от друга взялись за изучение природы света и пришли к противоположным выводам. Ньютон, преданный последователь атомизма, предположил, что свет состоит из крошечных корпускул, но не смог доказать, что все свойства света соответствуют этому утверждению. С пропусканием и отражением света (в форме прямых лучей) проблем не возникало. Гораздо сложнее было объяснить явления рефракции (изменения в направлении распространения луча при прохождении через разные среды) и дифракции (распределения волн при прохождении через узкую преграду). Гюйгенс, в свою очередь, считал, что свет – это волна, которая движется в среде, подобной эфиру.