Причину, по которой тепло переходит от горячих объектов к холодным, а не наоборот, кратко объяснил австрийский ученый Людвиг Больцман, опубликовавший по этой теме серию работ в 1870-х годах. Как ни странно, это всего лишь вопрос вероятности, элементарного шанса. Больцман осознал, что изменения температуры происходят не вследствие некоего абсолютного и непреклонного закона, а потому, что статистически более вероятно, что быстро движущиеся атомы горячего вещества столкнутся с более медленными, более холодными атомами холодного вещества. Когда происходит достаточное количество столкновений, тепловая энергия распределяется равномернее. По мере того как это происходит, температуры двух соприкасающихся объектов начинают выравниваться, пока не будет достигнуто состояние теплового равновесия, при котором температуры одинаковы, а обмен энергии прекращается.
Тепло — явление решительно нерешительное. Обычно оно не остается там, где вы его оставили: повернитесь к нему спиной всего на пять минут, и вы обнаружите, что оно уже куда-то переместилось.
Ужасно прояснительно
Попросту говоря, свет можно назвать способом передачи энергии в пространстве и по всей Вселенной. Но когда мы называем словом «свет» то, чем можно восхищаться, в чем можно сидеть и что может литься, мы имеем в виду лишь одну часть большого спектра — видимую, или оптическую. Однако наши глаза видят не всё.
Видимый свет находится в середине электромагнитного спектра. Этот спектр включает в себя излучение всех видов: с длинными волнами и низкими частотами (как радиоволны) или с короткими волнами и высокими частотами (как рентгеновские лучи). Все это излучение движется со скоростью света, равной 299 792 458 метров в секунду, причем таким образом, что его нельзя точно определить как частицу или волну. Чтобы обойти этот небольшой, но упрямый конфликт определений, физики используют термин «корпускулярно-волновой дуализм».
Свет возникает при разных физических процессах, например когда возбужденные атомы переходят из более высокого энергетического состояния в более низкое или, наоборот, из более низкого состояния в более высокое. При этом они получают или теряют энергию, и эта энергия излучается в виде фотона. Общий термин для создания света путем возбуждения атомов таким способом — «люминесценция» (это, помимо всего прочего, еще и очень красивое слово).
Свет ведет себя предсказуемо, поэтому мы можем формировать его и манипулировать им, использовать его для процессов, которые кажутся чистой магией. Свет — и неважно, исходит он от Солнца или другого подходящего источника, — отражается от окружающих нас предметов (людей, зданий, птиц в полете) и позволяет нам видеть форму и историю, которую мы позже сможем воспроизвести с помощью шокирующей технологии Technicolor.
Именно такое поведение света можно классифицировать как зеркальное или диффузное отражение. В первом, зеркальном, случае свет отражается от объекта четко определенным образом, как от зеркала, стекла или гладкой поверхности воды в штиль. Однако большинство отражений являются диффузными, потому что почти все в жизни нерегулярно и не поддается прогнозу, и когда свет попадает на такие предметы, он рассеивается.
Свет преломляется, когда проходит через определенные предметы, и этот «изгиб» света особенно полезен для тех из нас, кому приходится носить очки: линзы, через которые мы смотрим, преломляют свет.
А еще свет демонстрирует поведение, называемое дифракцией и интерференцией. Дифракция — это когда свет изгибается вокруг препятствий или проходит через зазоры: если прикрыть глаза в темноте и сквозь щелочки разглядывать, как уличные фонари превращают свет в причудливые длинные полосы и ловкие, усеченные движения, вы увидите пример дифракции. Интерференция — это встреча двух световых волн: они либо прекрасно поладят и будут взаимно компенсировать друг друга, либо не достигнут согласия и будут вместе расти и меняться. Непредсказуемая цветная поверхность мыльного пузыря — это пример интерференции — явления, которое может заставить нас взглянуть на процесс мытья посуды совершенно по-новому.
Могущественное Солнце все время излучает огромное количество энергии. И хотя лишь малая часть ее достигает Земли, этого более чем достаточно, чтобы освещать наши дни, даже с вездесущей задержкой: свет, который мы сейчас видим, принадлежал Солнцу восемь минут назад. Но такое космическое отставание не делает закат менее прекрасным или менее вечным. Возможно, мы смотрим на Солнце, которого больше нет, но с ним все равно лучше, чем без него.
Без Солнца и, как следствие, солнечного света мир несильно отличался бы от нынешнего, но мы просто не смогли бы ничего увидеть.
Атомы — произведения искусства
Возможно, нам стоит развесить портреты атомов в больших музеях с кондиционерами и белыми стенами и всматриваться в них в тихом изумлении. Мы будем ходить по этим галереям атомов и указывать: «Посмотрите! Немыслимо, что благодаря этим крошечным, невзрачным штучкам существует все вокруг».
В начале 1960-х аномально гениальный американский физик Ричард Фейнман в ходе одной из лекций сказал так: «Если в некоем катаклизме будут утрачены все научные знания и мы сможем передать следующему поколению существ лишь одно предложение, какое утверждение будет содержать максимальный объем информации при наименьшем количестве слов? Я полагаю, это будет атомная гипотеза (или атомный факт, как вам больше нравится) о том, что все объекты состоят из атомов — маленьких частиц, которые пребывают в постоянном движении, притягиваясь, когда они находятся на небольшом расстоянии друг от друга, и отталкиваясь, когда это расстояние сокращается до минимума. Вы увидите, что в одном этом предложении содержится огромное количество информации о мире, если призвать на помощь воображение и мышление».
Атомы играют решающую роль в нашем понимании Вселенной. И хотя представление о том, что мир состоит из мельчайших частиц, существует уже более 2500 лет, лишь в последние двести лет стало действительно невозможно думать, что все устроено как-то иначе. Теперь мы можем не только увидеть атомы, используя чудовищно мощные микроскопы, но и даже манипулировать ими. Мы научились, пусть и немного, перемещать составные части Вселенной.
Такая красивая (и до недавнего времени невидимая) концепция о значении и неизбежной природе атомов помещает всех на удовлетворительно ровное игровое поле. Ваши хорошие и плохие решения, ваш размах крыльев, ваша целостность как личности — все это возможно благодаря 7 миллиардам миллиардов миллиардов ваших атомов, каждый из которых состоит (грубо говоря) из расположенного в середине положительного ядра и отрицательного электронного облака вокруг него. Это облако как бы танцует из стороны в сторону, попеременно очаровывая другие атомы и отталкивая их (квантовая механика — это по-настоящему сложная магия). Без атомов здесь ничего не было бы: ни этой книги у вас в руках, ни ручки, которая сегодня утром протекла у вас в кармане, ни этих зданий, которые кому угодно могут внушить страх высоты, —