Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

2.11. Связывающие нас заряды

Электромагнитное взаимодействие играет важную роль даже в жизни электронейтральных людей и коров. Во-первых, электроэнергия — это то, что связывает вещество в структуры и делает нас людьми, а, например, книгу — книгой, а не просто грудой неупорядоченных частиц. К тому же сталкиваемся мы именно благодаря электроэнергии. А столкновение — процесс важный. Вспомните, как из-за столкновений между частицами газа и пыли во Вселенной рождаются звезды и планеты.

Представьте, что вы вышли на тротуар и подпрыгнули. Сначала вы двигаетесь вверх, но гравитация тянет вас вниз. Через десятую долю секунды вы уже достигнете верхней точки и начнете снова опускаться на землю. Вы приближаетесь к тротуару со все возрастающей скоростью. И как только ваша обувь касается асфальта, вы останавливаетесь. Вы столкнулись с асфальтом. Электроны в подошве вашей обуви сталкиваются с электронами в асфальте, и отталкивающие силы между электронами заставляют вас остановиться. И когда вы чувствуете, что снова стоите на земле, вы буквально парите на подушке отталкивающих электрических сил.

А что бы произошло, если бы нам на мгновение удалось отключить электрические силы в вашем теле, пока вы стояли на тротуаре? Первым делом вы бы распались на части. Впрочем, давайте все же представим, что вашим клеткам каким-то магическим образом удалось удержаться вместе. Да, тогда вы бы провалились сквозь асфальт, к самому центру Земли и танцевали бы между южной частью Тихого океана и Норвегией, точно так же, как то ньютоновское яблоко из темной материи. Провалиться под землю ни вам, ни обычному яблоку не дают электрические заряды.

Так что стоит быть готовыми к следующему утверждению: темная материя не сталкивается, потому что не содержит электрических зарядов. Поэтому и просто на полу она валяться не будет. Из этой материи не образуются книги, люди, лоси или планеты. Получается, мир темной материи, грубо говоря, неосязаем.

Отсутствие электрических зарядов — это причина не только неосязаемости темной материи, но и ее невидимости. Почему? Придется сначала разобраться с понятиями видимости и света. Свет и электромагнитные волны

Когда мы что-то видим, будь то корова или далекая галактика, происходит это благодаря тому, что свет достигает наших глаз. Но что же такое свет?

Видимый свет — малая часть явления, которое мы называем электромагнитными волнами. Эти волны перемещаются в пространстве со скоростью света. Мы замечаем световые волны, когда они достигают наших глаз, но видим мы далеко не все волны. Частенько мы можем не разглядеть световые волны, которые гуляют прямо у нас под носом, стремятся к чьим-то еще глазам или даже стене, дереву или горе. Чтобы лучше понять природу световых волн, нужно сначала взглянуть на наиболее привычные нам волны — те, что можно наблюдать на воде.

Меня трудно назвать бывалым моряком, но при мысли о волнах я всегда вспоминаю о прекрасном озере Мьёса. Представьте себе, что сейчас чудный летний день и неподвижная водная гладь улыбается вам. Как создать волны на воде? Допустим, вы используете типично норвежский прием и создадите волны так: зайдете по пояс в воду и начнете опускать в воду мяч, а потом снова вытаскивать. От мяча будут расходиться отличные круговые волны. Если вы зануда, то станете бросать и поднимать мяч с особым ритмом, похожим на азбуку Морзе.

^{Погружение мяча в воду — хорошая аналогия с электромагнитными волнами. Здесь пляжные мячи играют роль электрических зарядов, а волны в воде можно сравнить с электромагнитными волнами.}

На пляж вы пришли со знакомым и в этот чудесный день ваш спутник или спутница тоже играет в воде в собственный надувной мяч. Через какое-то время волны от вашего мяча доходят до этого знакомого. Он не без удивления обращает внимание, что эти волны касаются и его мяча. Мяч опускается и приподнимается в том же ритме, который вы создали, поэтому приятель сразу же обращает внимание на послание, зашифрованное в волнах. После интерпретации сообщения друг в ответ окунает свой мяч в воду, так что новое волновое сообщение начинает двигаться к вам. Добравшись до вашего мяча, волны примутся раскачивать его и передадут вам ответное сообщение.

Настало время покинуть нашу парочку. Не станем расшифровывать переданные морзянкой сообщения. А урок из этой истории извлечем следующий: раскачивая мяч, можно создать волны, которые в свою очередь раскачают другой надувной мяч. Впечатлились? Не особо? Тогда давайте сравним волны на озере со световыми волнами.

Электромагнитные волны, а соответственно, и свет работают по тому же принципу, что и волны на озере, с одной лишь разницей — вместо мячей и воды в игру вступают электрические заряды и электромагнитные волны соответственно. Если вы возьмете электрический заряд, такой как электрон, и немного встряхнете его (или станцуете буги-вуги), электрон испустит электромагнитные волны. И если колебания пляжного мяча создают волны в воде, то колебания электрона создают волны в электрических и магнитных полях.

Полях? Да, электромагнитные поля — это основная концепция, на которой основываются понятия света, видимости, невидимости, сталкивающихся яблок и галактик. А поле-то, собственно говоря, — это, вообще, что такое? Термин «поле» встречается во многих областях физики, и не только когда речь идет об электромагнетизме. Например, мы часто говорим о полях тяготения, или гравитационных полях. Если книга находится в гравитационном поле, это означает, что на нее будут действовать гравитационные силы. В определенной точке комнаты, например на столе перед вами, гравитационное поле будет иметь определенное направление и силу, а в другой точке оно может вести себя иначе. То же самое с электрическими и магнитными полями. Возле магнита будет магнитное поле, а около электрического заряда имеется поле электрическое.

Вокруг потертого о волосы шарика образуется электрическое поле, но увидеть мы его не в силах. А откуда же мы тогда знаем, что оно существует? Поместим в одной точке положительно заряженную частицу, чтобы впоследствии наблюдать, с какой силой и в каком направлении ее тянет. Если поместить положительный заряд рядом с отрицательно заряженным шариком, который потерли о волосы, то мы увидим, что он притягивается прямо к шарику. Направление заряда можно использовать для определения направления электрического поля. Кроме того, видно, что сила притяжения, а значит, и поле тем сильнее, чем меньше расстояние между положительным зарядом и воздушным шаром.

Как уже упоминалось, свет и все другие формы видимости существуют благодаря электрическим и магнитным полям. Однако электрическое поле вокруг воздушного шара невидимо. Чтобы поля были видны, они должны начать раскачиваться назад и вперед и создавать волны. И как этого добиться?

Допустим, вам удалось взять в руку один электрон. Представьте, что вы держите его на расстоянии вытянутой руки, на уровне глаз. Потом вы начинаете раскачивать электрон вверх и вниз, очень быстро. Что тогда будет с электрическим полем?

Давайте посмотрим на электрическое поле в том месте, где изначально находился электрон, прямо перед вашими глазами. Когда вы перемещаете электрон выше, электрическое поле будет направлено вверх, к электрону. Когда электрон перемещается ниже уровня глаз, поле будет направлено вниз. Встряхивание электрона создаст поле, направленное попеременно то вверх, то вниз.

Похоже на ситуацию на озере Мьёса? Надувной мяч нырял и выныривал, а на воде появлялись волны. Теперь электрон ныряет и выныривает и мы получаем волны в электрическом поле. И не только. Мы уже знаем, что электричество порождает магнетизм и наоборот. В случае со встряхнутым электроном волны электрического поля также будут формировать волны магнитного поля. В итоге мы получили то, что принято называть электромагнитной волной, и она движется в пространстве со скоростью света.

Впервые электромагнитные волны описал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. В 1860-х годах он обобщил все, что мы знали об электричестве и магнетизме, в виде набора математических уравнений, которые сегодня мы называем уравнениями Максвелла. В уравнения были включены уже известные законы, показывающие, как электричество преобразуется в магнетизм и наоборот. Основываясь на этих уравнениях, Максвелл доказал существование электромагнитных волн и рассчитал, что они будут двигаться в пространстве со скоростью, почти полностью соответствующей скорости света. Вот к какому выводу он пришел:

Соответствие между результатами указывает на то, что свет и магнетизм являются проявлениями одного и того же вещества и что свет — это электромагнитная помеха, которая распространяется через поле в соответствии с электромагнитными законами.

Иначе говоря, электромагнитные волны и свет — это одно и то же. Получается, при встряхивании электрон тоже будет излучать свет. Но того, что свет излучается, недостаточно. Глаз должен обладать способностью воспринимать этот свет. Каким образом это происходит?

И снова на ум приходит надувной мячик и волны на озере Мьёса. Эти волны заставляли надувной мяч вашего друга раскачиваться вверх-вниз. Электромагнитная волна, исходящая от встряхнутого электрона, ничем не отличается от волны обычной. Через несколько наносекунд после того, как электрон испускает световую волну, часть света достигает ваших глаз. Поскольку глаз состоит из обычного вещества, он содержит электрические заряды. Когда световые волны, таящиеся в раскачивающемся вверх-вниз электрическом поле, достигают ваших глаз, электрические заряды в глазу тоже начинают двигаться вверх-вниз. А это в свою очередь уже отправит в ваш мозг электрический сигнал об обнаружении света.

Подведем итоги: если объект содержит электрические заряды, он может излучать и улавливать электромагнитные волны. И наоборот, объект, не содержащий электрических зарядов, не излучает электромагнитные волны и не улавливает их. Электрические заряды, благодаря которым состоящие из обычного вещества объекты сталкиваются, также делают эти же объекты видимыми. Электрические заряды отвечают как за свет, так и за столкновения. Именно электрические заряды делают обычную материю обычной.