Все краски мира

Небо голубое, трава зеленая, солнце желтое. Именно так нарисует любой ребенок, взявший в руки мелки или фломастеры, поскольку точно знает, что какого цвета. Но откуда он это знает, не имея никакого представления о хлоропластах, флуктуациях плотности атмосферы и жизненном цикле звезд главной последовательности?

Наши глаза воспринимают электромагнитное излучение с длиной волны примерно от 380 до 760 нанометров и частотой 400–790 терагерц — так называемый видимый свет. Конечно, само излучение не зависит от нашей способности его видеть: будь у нас вместо глаз какие-нибудь другие органы чувств или приборы, мы просто воспринимали бы цвета как-то иначе. Но мы видим их именно так — а потому давайте попробуем разобраться с самыми что ни на есть «детскими» вопросами.

ПОЧЕМУ НЕБО СИНЕЕ?

Над этим вопросом ломали головы умнейшие представители человечества, но правильный ответ был получен лишь тогда, когда наука достигла должного уровня. Леонардо да Винчи писал, вдохновленный наблюдениями за дымом из камина: «Светлое поверх темного становится синим, тем больше, чем светлее будет светлое и темнее темное». С ним соглашался Гёте, который был не только поэтом, но и естествоиспытателем. Правда, разгадки этого явления они так и не нашли. Исаак Ньютон после открытия интерференции света в тонких пленках (наложения друг на друга световых волн, приводящих к появлению разных цветов — из-за этого пленка бензина на воде кажется разноцветной) пытался с ее помощью объяснить цвет неба. Он допускал, что капли воды в атмосфере имеют форму пузырей с тонкими стенками, вроде мыльных. Позднее выяснилось, что капли принимают форму шара, а не полого пузыря, и эта гипотеза оказалась несостоятельной.

Пьер Бугер, Леонард Эйлер, Эдм Мариотт и другие ученые XVII–XVIII веков полагали, что синий оттенок неба определяется цветом основных компонентов воздуха. Это объяснение было ближе к истине и получило некоторое подтверждение в XIX веке, когда выяснили, что жидкий кислород — голубого цвета, а жидкий озон — синего. Геолог, ботаник и изобретатель Орас Бенедикт де Соссюр (1740–1799) предложил объяснение, от которого до правильного оставалось совсем чуть-чуть. Он заявил, что, будь воздух совершенно чист, небо было бы черным, но содержащиеся в атмосфере примеси отражают преимущественно голубой и синий цвета.

В XIX веке ученые много экспериментировали с рассеиванием света в жидкостях и газах — в частности, Доминик Араго, Жак Бабине, Дэвид Брюстер и ряд других физиков и астрономов. Все они старались в лабораторных условиях воспроизвести изменение цвета световых лучей при прохождении через газы и жидкости, а результаты опытов подвигали их искать истоки синего цвета неба в рассеянии солнечного света в атмосфере. Наконец, во второй половине XIX века английский ученый Джон Рэлей создал теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере. Он писал, что рассеяние света происходит не из-за примесей, содержащихся в воздухе, а благодаря молекулам самого воздуха. Результаты работ Рэлея были опубликованы в 1899 году в сочинении «О свете от неба, его поляризации и цвете». Один из выводов Рэлея гласил, что яркость рассеянного света меняется в зависимости от длины волны света, падающего на рассеивающую частицу.

За заслуги в исследованиях оптических свойств атмосферы ученый получил уважительное прозвище «Рэлей Атмосферный».

Однако это все еще не объясняет, почему небо голубое. В начале XX века советский физик Леонид Мандельштам доказал, что для рассеяния света в сплошной среде важно нарушение ее оптической однородности. В однородной среде волны, рассеянные отдельными частицами по направлениям, не совпадающим с направлением первичной волны, взаимно гасятся. Оптическими неоднородностями, мешающими такому «погашению», служат флуктуации (колебания) плотности газов и прочие «помехи», возникающие из-за теплового движения частиц.

Рассеянием света, вызванным этими флуктуациями, занимался польский физик Мариан Смолуховский, создавший теорию опалесценции — рассеяния света разреженными газами, в которых положение частиц можно считать не зависящим друг от друга. Благодаря этому свет рассеивается случайным образом с интенсивностью, пропорциональной плотности газа. В оптически плотных средах становится существенным многократное рассеяние. В атмосфере рассеяние солнечного света из-за флуктуаций происходит так же, как и рассеяние света отдельными ее частицами. Таким образом, голубой цвет неба объясняется тем, что высокочастотная — голубая — составляющая солнечного спектра рассеивается много сильнее, нежели низкочастотная — красная. Выводы Смолуховского поддержал сам Альберт Эйнштейн.

ПОЧЕМУ СОЛНЦЕ — ЖЕЛТОЕ?

На этот вопрос ответить вроде бы легко: если синяя и голубая составляющие солнечного света рассеиваются, окрашивая небо, для самого солнца остается как раз желто-красная часть спектра. А на закате и восходе оно выглядит красным из-за того, что его лучи проходят по касательной относительно Земли и их путь оказывается длиннее, чем днем. Поэтому рассеивается еще большая часть солнечного спектра, остается фактически только красный цвет, который и окрашивает диск светила и небо вокруг него.

Но почему Солнце излучает волны именно такой длины, что их видимая часть складывается в привычный нам спектр? Потому, что Солнце — желтый карлик, как и, например, Эпсилон Эридана, обе звезды Альфы Центавра или Тау Кита.

Звезды неоднократно меняют размер, температуру и светимость за свою невероятно долгую жизнь. Все начинается с холодного облака разреженного межзвездного газа, которое сжимается под действием собственного тяготения и постепенно «округляется». Гравитационная энергия при сжатии превращается в тепло, температура повышается, и начинаются термоядерные реакции, а само сжатие прекращается — образуется звезда.

Сперва в ней доминируют реакции превращения водорода в гелий. Эта фаза жизни светила — самая длинная. Когда в центре звезды водород полностью превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерные реакции идут только на периферии. Светимость звезды растет, она расширяется, а температура ее поверхности снижается. Получается красный гигант, вроде Альдебарана. Такая фаза непродолжительна: когда масса гелиевого ядра сильно возрастает, оно начинает сжиматься под собственным весом. Если звезда достаточно массивна, растущая температура провоцирует термоядерное превращение гелия в углерод, затем в кислород, кислорода — в кремний, а кремния — в железо. Если же звезда к моменту «выгорания» водорода недостаточно велика для того, чтобы запустились процессы превращения гелия, она постепенно остывает, проходя стадию коричневого карлика и превращаясь в твердое планетоподобное тело. А если термоядерные процессы в нем идут неравномерно, звезда медленно испаряется.

Изменения звезд на пути жизненного цикла отражены на диаграмме Герцшпрунга — Рассела, показывающей зависимость между их светимостью, абсолютной величиной, температурой и спектральным классом. Большинство звезд находится в так называемой главной последовательности: ее составляют звезды, находящиеся в фазе преобразования водорода в гелий. Их масса — примерно от 0,0767 до 50 масс Солнца. Объекты главной последовательности — это голубые звезды, как Вега и Альтаир, желтые и красные карлики, как Проксима Центавра. Желтые карлики, такие как Солнце, излучают свет, воспринимаемый нами как белый. Проходя через атмосферу нашей планеты, он «избавляется» от синего и голубого, остаются желтый и красный.

Во Вселенной возможны и места, где цвета нет и быть не может. Это — черные дыры, участки пространства, притяжение которых настолько велико, что их пределы не могут покинуть даже движущиеся со скоростью света объекты, в том числе фотоны. Существование черных дыр, неоднократно доказанное математически, согласуется с самыми разными теориями организации пространства-времени, однако наблюдать их можно лишь косвенно, по воздействию на окружающее вещество. Черные дыры могут иметь различное происхождение, в том числе — как один из вариантов окончания развития звезды. В этом случае черная дыра при крохотном радиусе в несколько километров весит минимум в 2,5–5,6 раза больше, чем Солнце. В дальнейшем она может увеличиваться за счет поглощения вещества из окружающего космоса.

ПОЧЕМУ ТРАВА ЗЕЛЕНАЯ?

Этот вопрос подводит нас к одному из основополагающих процессов перераспределения энергии в живой природе — фотосинтезу. Во многом именно благодаря ему жизнь на Земле стала такой, как сейчас. Без него не сформировались бы пищевые цепи и пирамиды, не было бы разделения на тех, кто может синтезировать органические вещества из неорганических, и тех, кто потребляет готовую органику. Сжигая нефть и газ, мы пользуемся энергией, запасенной в далеком прошлом с помощью фотосинтеза. Благодаря ему из углекислого газа и воды образуются органические вещества и кислород, которым все мы дышим.

Кванты света поглощаются содержащимися в клетках пигментами, образуя высокоэнергетическую аденозинтрифосфорную кислоту и никотинамидадениндинуклеотидфосфат, служащий транспортером энергии. Полученная энергия тратится на то, чтобы в результате ряда сложных циклов превратить углекислый газ и воду, например, в крахмал. Кислород — побочный продукт этих превращений.

Примитивный фотосинтез возник еще на заре времен у безъядерных организмов. До нашего времени дожили некоторые виды одноклеточных, которые осуществляют фотосинтез при помощи белка бактериородопсина. Но «настоящий» фотосинтез возник у цианобактерий, водорослей и растений, достигнув совершенства у последних.

Необходимый компонент высокоэффективного фотосинтеза — пигмент хлорофилл. Он поглощает солнечный свет в синем и красном сегменте, оставляя нетронутым зеленый. Но ведь максимум интенсивности видимого солнечного излучения находится в области длин волн около 550 нанометров, то есть в «зеленой зоне». Отчего же им, как правило, пренебрегают? Оттого что фотосинтез зависит не столько от общего количества солнечного света, сколько от энергии отдельных фотонов и их числа. Каждый фотон синего света несет больше энергии, нежели красный. Солнце же излучает преимущественно красные фотоны. Растения предпочитают синие фотоны из-за их «высокого качества» и красные, которых очень много. Зеленые же фотоны, длина волны которых аккурат между синим и красным, не могут похвастаться ни энергоемкостью, ни массовостью. Не то чтобы растения совсем уж игнорировали зеленый свет — в ряде случаев (например, под толщей воды, мешающей прохождению света) он тоже используется, и для этого служат другие пигменты, такие как каротиноиды. Некоторое участие в фотосинтезе принимают и пигменты антоцианы, обусловливающие голубой, лиловый, багровый и фиолетовый оттенки растений. Однако основная часть фотосинтеза на Земле осуществляется при помощи именно хлорофилла, который отражает зеленые лучи.

Этот отраженный свет мы и видим, он-то и придает привычную нам окраску хлоропластам, содержащимся в фотосинтезирующих частях растений. Когда же процессы фотосинтеза из-за недостатка света прекращаются и хлорофилл исчезает, пропадает и зеленая окраска.

Впрочем, этот пигмент — не самый распространенный в живой природе. Гораздо шире представлены каротиноиды, обеспечивающие желтую, рыжую и красную окраску животным и растениям. Типичный пример — рыжая морковка, чей цвет объясняется наличием каротина. Есть такие пигменты и в листьях растений — они становятся видны осенью, после разрушения хлорофилла. И все же окраска — не основная функция пигментов. Взять хотя бы меланин, защищающий нас от губительного воздействия ультрафиолета. Или гем, который входит в состав гемоглобина, билирубина и других веществ, необходимых для транспортировки кислорода к тканям. Той же цели служат цитохромы и гемоцианин (голубой пигмент крови у моллюсков). Благодаря светоизлучающим пигментам люциферинам светятся светлячки. К пигментам же относится и родопсин, который и дает нам великолепную возможность наблюдать все богатство красок окружающего нас мира.