Чайник на плите горячий, но не светит. Солнце тоже горячее — и светит. Казалось бы, оба просто нагретые тела, а ведут себя по-разному.
В этой статье ответим на один из самых детских вопросов: почему светит Солнце? «Потому что оно горячее» — это не ответ, а место, где начинается самое интересное!
Короткий ответ, который ничего не объясняет
Солнце почти целиком состоит из водорода: по числу атомов это примерно 92% водорода и 8% гелия, а на всё остальное приходятся доли процента. В его недрах царят такое давление и температура, что протоны водорода слипаются в ядра гелия — идёт термоядерный синтез.
Гелий же способен слипаться в ещё более тяжёлые ядра — углерод, кислород и так далее вплоть до железа.
При каждом таком слиянии около 0,7% массы превращается в энергию. Если перевести в осязаемые величины, Солнце переплавляет в энергию около 4,3 миллиона тонн вещества ежесекундно («Proton–proton chain», Wikipedia). Эта энергия и уходит наружу электромагнитным излучением, часть которого мы воспринимаем как видимый свет.
Казалось бы, можно ставить точку. Но стоит присмотреться, и в ответе обнаруживается пробел. Между «выделилось тепло» и «полетели фотоны» что-то потерялось. Эту потеряшку мы и поищем.
Откуда берётся электромагнитная волна
Взглянем на всю картину целиком. Видимый свет — тонкая полоска в огромном диапазоне электромагнитного излучения. По соседству с ней инфракрасное тепло, ультрафиолет, рентген, СВЧ и те самые радиоволны. Глаз ловит лишь узкое окошко примерно от 380 до 700 нм, а всё, что лежит за его краями, для нас невидимо («Visible Light», NASA).
Каждый из вас хоть раз подключался к Wi-Fi-роутеру. Вы это делали без единого провода. В качестве связующего звена выступали именно радиоволны.
Радиоволна качественно не отличается от световой волны. Разница только в частоте, которая у неё поменьше. А значит, разобравшись, как рождается радиоволна в роутере, мы можем понять и как рождается свет в Солнце.
Выбирая сеть, вы наверняка не раз замечали значения 2,4 GHz и 5 GHz — это разные частоты излучения, которое создаёт роутер. Создаёт он его незамысловато: по антенне взад-вперёд, очень быстро, гоняется переменный ток, и от этого вокруг антенны расходятся волны.
Чтобы понять, почему так выходит, вспомним, что ток — это упорядоченное движение зарядов. Когда ток переменный, заряды не просто текут в одну сторону, а беспрерывно разгоняются и тормозят. И при ускорении зарядов часть энергии исходит в виде электромагнитных волн («Larmor formula», Wikipedia).
Где в куске вещества взять движущийся заряд
Тут же напрашивается возражение. В проводе ток гоняют намеренно, это понятно. Но Солнце никто к розетке не подключал, да и любой раскалённый предмет светится сам по себе — тот же брусок металла в горне. Откуда же там берутся разгоняющиеся заряды?
Загвоздка ещё и в том, что обычное вещество электрически нейтрально. Стул, подушка, я сам — суммарный заряд везде равен нулю. Сколько ни кидайся стульями, никаких радиоволн от них не пойдёт. Так где же прячется заряд, который можно было бы подвигать?
Искать его нужно внутри атома, так что спустимся на этот уровень и посмотрим, из чего атом собран.
В центре находится ядро, заряженное положительно, а вокруг него — электронное облако с отрицательным зарядом. Снаружи плюс и минус уравновешивают друг друга, оттого атом и выглядит нейтральным. Но заряды внутри никуда не делись — они лишь скомпенсированы.
А теперь столкнём два атома. Тогда отрицательно заряженные электронное облака сместятся относительно положительно заряженных ядер. Атомы превратятся в диполи, испускающие электромагнитные волны.
Звенья сошлись: толкнули атом — ядро сместилось относительно облака — возник разогнавшийся заряд — от него пошла волна.
Почему «горячее» означает «больше света»
Остаётся выяснить, почему атомы вообще толкают друг друга и почему горячие делают это охотнее холодных.
Температура есть мера того, насколько быстро двигаются молекулы. Когда мы говорим, что нечто «нагрелось», на молекулярном уровне это означает, что молекулы внутри стали двигаться быстрее.
И вот всё выстраивается в одну линию. Частицы движутся, а значит, сталкиваются. При каждом столкновении ядро смещается относительно электронного облака, и атом на краткий миг становится диполем и излучает. И чем горячее тело, тем быстрее и чаще происходят столкновения — а вместе с ними растёт и число испущенных волн.
Выходит, чем сильнее нагрето тело, тем сильнее оно излучает. Это видно в кузне: холодный пруток не светится вовсе, нагретый наливается багровым, ещё более горячий — жёлтым, а совсем раскалённый отдаёт почти белым.
Здесь самое время вернуться к чайнику из заголовка. Чайник ведь тоже излучает — он тёплый, и его молекулы тоже толкаются. Просто при сотне градусов всё его излучение лежит в инфракрасном диапазоне, которого глаз не видит. Чтобы излучение дотянулось до видимого света, тело нужно разогреть до сотен и тысяч градусов: чайнику до этого далеко, а Солнцу — более чем достаточно.
На Солнце всё устроено ещё интереснее: там плазма
На поверхности Солнца настолько горячо, что электроны уже не просто смещаются относительно ядер, а вовсе срываются с них. Голые ядра летают сами по себе, электроны — сами по себе. Это уже не газ, а плазма («plasma», Britannica).
Для нашей истории это означает, что заряды на Солнце даже не приходится высвобождать из нейтральных атомов — они и без того разделены и носятся свободно. Разгоняясь и сталкиваясь, эти ядра и электроны излучают сплошной спектр электромагнитных волн, часть которого попадает в то самое видимое окошко.
Спектр, по которому вычислили температуру Солнца
Форму спектра нагретого тела физики научились рассчитывать теоретически — это так называемое излучение абсолютно чёрного тела. Слова «абсолютно чёрное» пусть не смущают: они означают лишь, что тело поглощает всё падающее на него излучение, а вовсе не то, что оно темно на вид («Black-body radiation», Wikipedia).
Форму этой кривой при любой температуре задаёт формула Планка («Planck's law», Wikipedia) — именно она говорит, сколько энергии тело излучает на каждой длине волны. И чем выше температура, тем больше тело излучает и тем сильнее пик кривой смещается к коротким волнам, то есть к синему краю.
Сам сдвиг пика описывается законом смещения Вина («Wien's displacement law», Wikipedia). Отсюда и привычная связь цвета с температурой: горячее тело светит более «синим», холодное — более «красным», как металл в кузне, что по мере нагрева проходит путь от багрового через жёлтый и белый к голубоватому.
А теперь — фокус. Возьмём спектр Солнца и наложим его на семейство теоретических кривых.
Он хорошо ложится на кривую для температуры около 5800 градусов. Астрономы взглянули на солнечный спектр и поняли, что поверхность нагрета примерно до 5772 K. Температуру звезды достали из графика, никто не летал к Солнцу с градусником.
Теперь вся цепочка собрана:
В недрах Солнца идёт термоядерный синтез и выделяется энергия.
Вещество раскаляется до состояния плазмы, и заряды летают свободно.
Разгоняясь и сталкиваясь, заряды излучают электромагнитные волны.
Чем горячее тело, тем больше излучения и тем оно «синее».
Часть спектра попадает в видимый диапазон — и мы видим свет.
Оттого в солнечный день всё вокруг такое яркое и цветное, а стоит Солнцу зайти за горизонт — и краски гаснут. Дело тут не в том, что «Солнце горячее», а в том, что вот эта пятизвенная цепочка доводит энергию ядерных реакций до колбочек у нас в глазу.
Напоследок — вопрос к вам. Доводилось ли вам взяться объяснять какую-нибудь совершенно очевидную бытовую вещь и обнаружить в самой её глубине пропущенное звено? Почему небо синее, почему мокрое выглядит темнее сухого, почему лёд скользкий? Расскажите в комментариях, разберём вместе.