Не стоит думать, что представить свет в виде волн — значит нарисовать волнистую линию вдоль всей протяженности луча света. Свет от далеких звезд попадает к нам через триллионы километров, так что «вся протяженность» окажется в таком случае немалой. Вместо этого, представим себе волны разбитыми на маленькие отрезки, по несколько колебаний на каждом. В дальнейшем мы будем называть эти отрезки «фотонами», от греческого слова, означающего «свет».

Фотоны очень малы. Сорокаваттная лампочка, свет от которой, как мы все сами видели, слаб и тускл, испускает около квинтиллиона (1 000 000 000 000 000 000) фотонов в секунду.

Между собой фотоны не всегда одинаковы. Самое важное отличие одних фотонов от других в том, что одни несут больше энергии, чем другие. В подробности того, «что такое энергия», мы сейчас углубляться тоже не будем, ограничившись утверждением о том, что фотон с более высоким энергетическим содержанием может делать нечто, чего фотон с более низким делать не может.

К примеру, красный свет состоит из фотонов, энергия которых в два раза меньше, чем энергия фотонов фиолетовых. Попадая на обычную фотопленку, фотоны красного света, не имея на то достаточно энергии, не производят никаких химических изменений в покрывающем пленку составе. Если же на пленку попадают более энергетически насыщенные фотоны фиолетового света, то химикаты состава распадаются и пленка затуманивается.

Именно поэтому в фотолабораториях, где проявляют и печатают фотографии, используется освещение красным светом. Ведь такой свет безвреден для пленки.

В солнечном свете содержатся фотоны с самым разнообразным энергетическим содержанием. В нем присутствуют все фотоны, способные воздействовать на сетчатку наших глаз, которую можно рассматривать как живую и очень сложную фотопластинку, а кроме того — фотоны недоступного нашим глазам инфракрасного света, несущие меньше энергии, чем любой видимый свет, и также невидимого ультрафиолетового света, несущие больше энергии, чем фотоны любого цвета, доступного глазу. В целом же все формы света, как видимого, так и невидимого, можно рассматривать также как электромагнитное излучение.

Фотоны ультрафиолетового света несут так много энергии, что могут повредить сетчатку, именно поэтому опасно долго смотреть прямо на солнце. Энергии, содержащейся в фотонах ультрафиолетового света, хватает даже для того, чтобы приводить к химическим изменениям в нашей коже, благодаря чему кожа обретает загар.

Фотоны рентгеновских лучей и гамма-излучения, несущие энергии еще больше, чем ультрафиолет, могут пробивать путь прямо сквозь тело человека. Если при этом они повреждают определенные молекулы, то производимые при этом химические реакции приводят к тяжелым, часто смертельным последствиям для здоровья. Именно поэтому людям, работающим с радиоактивными веществами, и сотрудникам атомных электростанций приходится соблюдать столько предосторожностей, чтобы не подвергнуться облучению.

Раз мы представили фотоны короткими отрезками волн, то пора объяснить, чем же фотоны с высоким содержанием энергии отличаются от фотонов с низким. Обратим внимание на длину каждого отдельного колебания. Представим себе отрезок волны длиной в один дюйм и нарисуем столь плавный ее изгиб, что на всю длину получится только одно колебание. А рядом нарисуем другой отрезок, тоже длиной в один дюйм, но теперь на этом дюйме будет умещаться десять колебаний.

Количество колебаний на участке волны определенной длины является для этой волны важной характеристикой — частотой. Частота волны, в которой на дюйм приходится десять колебаний, — в десять раз выше, чем волны, где одно колебание занимает целый дюйм длины.

Чем больше энергетическое содержание фотона, тем выше частота соответствующего света. В фотоне красного света на сантиметр волны приходится около 14 000 колебаний, фиолетового — вдвое больше, около 28 000. Разница в частоте световых волн видимой части спектра и обеспечивает нам ощущение разных цветов.

Теперь давайте разберемся, откуда же берутся эти фотоны? Для этого нам придется рассмотреть строение самой материи, из которой состоит Вселенная.

Материя состоит из крошечных частиц, которые называют атомами. Атомы, как и более мелкие частицы, входящие в их состав, как и более крупные частицы, в состав которых входят сами атомы, содержат энергию. Чаще всего энергия проявляет себя движением — частицы, обладающие большей энергией, движутся или вибрируют быстрее.

Частицы материи не просто «могут обладать энергией» — они могут обладать лишь определенными ее объемами. Частицы каждого конкретного вида могут обладать энергией в типичном для них объеме, и ни в каком другом. Поэтому можно говорить о том, что каждая частица имеет некий характерный для нее энергетический уровень. Частица может иметь тот или иной, более низкий или более высокий, энергетический уровень, но ни в коем случае не некий промежуточный.

Можно провести аналогию с мелкой монетой. Если у вас в кармане звенят пятицентовики, то у вас может быть в общей сумме 45 или 50 центов, но 47 центов у вас быть не может. Если же ваши монетки — сплошь четвертаки, то 50 центов у вас в кармане по-прежнему может оказаться, а вот 45 — уже нет.

При сгорании куска дерева энергия, высвобождаемая при реакции соединения частиц дерева с частицами воздуха, переходит в энергию окружающего воздуха. Все частицы выбрасываются наружу с высоким уровнем энергии.

Однако они не сохраняют высокий уровень энергии навсегда. Все частицы имеют склонность к пребыванию на как можно более низком энергетическом уровне. Поэтому вскоре частицы, поднятые на высокий энергетический уровень, возвращаются обратно на низкий. При этом они отдают энергию в окружающее пространство в виде фотонов.

Если бы все частицы окружающей среды вокруг горящего дерева были бы одинаковы и все поднимались на один и тот же высокий энергетический уровень и возвращались на один и тот же низкий, то все отдаваемые фотоны имели бы одно и то же энергетическое содержание и одну и ту же частоту.

Но это не так. Дополнительную энергию получают абсолютно все виды частиц, и количество получаемой ими энергии может оказаться самым разным. Соответственно фотоны отдаются очень разные — некоторые из них (меньшинство, правда) лежат в видимой части спектра, поэтому пламя костра освещает окрестности. В солнечном свете тоже присутствуют фотоны самых различных частот, поэтому в нем представлен практически полный спектр всего света, который только существует в природе. Еще пару десятилетий назад ученые считали, что эта мешанина частот является практически неотъемлемым свойством любого света.

Теперь предположим, что все частицы, с которыми мы имеем дело, принадлежат исключительно к одному типу и что все молекулы, таким образом, получают один и тот же невысокий уровень энергии.

В таких условиях отдельные частицы постоянно будут то набирать достаточно энергии, чтобы переместиться на следующий энергетический уровень, то снова терять набранный излишек энергии в виде фотона определенной частоты. Среди рассматриваемых частиц всегда будут такие, которые уже набрали энергию и находятся в данный момент в процессе ее потери. Так что из такой системы всегда будут испускаться фотоны, причем одной и той же частоты, и в результате мы будем иметь луч постоянной частоты.

К примеру, было обнаружено, что аммиачный газ можно заставить испускать определенное низкочастотное излучение, получившее название «микроволна». Частота микроволнового излучения от аммиака — меньше одного колебания на сантиметр. Сравните с 14 000 колебаний красного света!

Эти колебания — ровны и неизменны. Они постояннее, чем колебания любых рукотворных маятников или даже небесных тел. В 1949 году американский физик Гарольд Лайонс показал, как можно с помощью этих колебаний управлять изменением времени, и изобрел атомные часы, гораздо более точные, чем любые другие часы, известные на тот момент. Но с помощью такого излучения можно не только измерять время.