Шепіт фотонів
Одне з найвідоміших речень у Біблії знаходиться на самому початку, про історію творіння. Там описано створення першого дня. “І сказав Бог: Хай буде світло! І було світло ".
Космологи тепер знають: Після Великого Вибуху довелося пройти 300 000 років, перш ніж світло змогло стряхнути окови матерії. Лише тоді температура Всесвіту впала настільки, що атомні ядра поклали раніше неприборкані електрони на повідець. Тепер Всесвіт став прозорим - і світло могло безперешкодно мчати крізь молодий космос.
Донині приміщення заливає слабке післясвічення вогненної кулі: як «космічне фонове випромінювання», безмасові частинки світла, які Альберт Ейнштейн охрестив «фотонами», шепочуть астрофізикам історії про створення Всесвіту - як відгомін великого вибуху. Тепер дослідники також знають про народження першого світла, можливо, 15 мільярдів років тому. Він був створений теплом Великого Вибуху та випромінюванням речовини та антиречовини в перші секунди космосу. Можна підрахувати навіть кількість фотонів у спостережуваному Всесвіті: приблизно 1089 - у мільярд разів більше, ніж кількість атомів.
Світло все ще відроджується: завдяки ядерному синтезу при температурі від 10 до 150 мільйонів градусів усередині зірок. Однак звідти воно не може вилетіти по прямій лінії, але - як у молодому Всесвіті - постійно відволікається закрученими електронами та атомними ядрами. Тож їй доводиться пробиватися в космос зигзагоподібним курсом, що триває тисячі років. Світлу від поверхні нашого сонця до землі потрібно лише вісім хвилин. Під час сонячних ванн щосекунди на кожному квадратному сантиметрі шкіри плямують десять трильйонів фотонів.
Інші частинки сонячного вітру, переважно електрони і протони, рухаються від 20 до 50 годин. Земне магнітне поле значною мірою захищає їх - але іноді деякі з них стикаються з атмосферою. Тоді вони забезпечують люте північне сяйво - особливо у високих північних і південних широтах. Їх синій і фіолетовий кольори створюються при збудженні атомів азоту в повітрі, зелений походить від кисню. Північне сяйво спостерігалося також на планетах Юпітер і Сатурн.
Ми не могли б існувати без сонячного світла. Майже все життя на землі прямо чи опосередковано залежить від цього. "Життя виткане з повітря за допомогою світла", - поетично сказав фізіолог Джейкоб Молешітт у 19 столітті. Він думав про фотосинтез, в якому сонячна енергія використовується для утворення високоенергетичних вуглеводів. Рослини, водорості та деякі бактерії буквально живляться сонячним світлом, яке вони захоплюють за допомогою світлочутливих молекул антен: вони є людожерами.
Але світло не тільки передає енергію, але й є джерелом інформації. Наприклад, він повідомляє про те, з чого воно походить. Кожен хімічний елемент залишає характерний відбиток пальця в спектрі випромінюваного світла.
Спектральний аналіз давно встановлений як важливий метод ідентифікації та дослідження атомів і молекул. Наприклад, темно-жовтий колір полум’я вказує на атоми натрію - наприклад, коли кілька зерен кухонної солі (хлориду натрію) потрапляють у полум’я газової плити.
Однак світло створюється не тільки спалюванням речовини при високих температурах. Природа також створює більш прохолодні світлові явища. Наприклад, флуоресценція: деякі атоми або молекули ковтають енергію, тим самим переходять у збуджений стан і вивільняють цю енергію у вигляді світла протягом мільйонної частки секунди. Наприклад, телевізійні екрани та люмінесцентні лампи засновані на цьому принципі. Хімічні добавки в миючих засобах флуоресцирують синювато в ультрафіолеті денного світла; цей синій додає до жовтого залишків вапна і утворює "блискуче біле".
Фосфоресценція, навпаки, виникає, коли електрони таких речовин, як легований міддю сульфід цинку, потрапляють у постійний стан з високою енергією за допомогою світла. Такі «легкі батареї» можуть випускати світло протягом багатьох хвилин до тижнів, залежно від речовини та температури. Наприклад, їх можна знайти на циферблатах годинників, а нещодавно також у флуоресцентних паличках без батарей.
Феномен світла, який називається сонолюмінесценцією, досі залишається загадкою. Його можуть генерувати високочастотні пучки звукових хвиль у рідинах. Дивно, але це світло виникає у спалахів, які в мільйони разів коротші, ніж можна було б очікувати, виходячи зі структури звуку.
Живі істоти також можуть генерувати світло холодним способом - процес, відомий як біолюмінесценція. Це вимагає енергії та каталітичної активності особливих ферментів, люцифераз. Вони окислюють певні сполуки вуглецю, люциферини, створюючи синюватий або зелений блиск. Деякі комахи та риби мають власні світлові клітини, які часто вистелені відбиваючими кристалами. Біо світіння просвічує з цих клітин шкіру тварин. Вони можуть спілкуватися між собою або залучати поживних тварин.
Ракоподібні та кальмари у глибокому морі зберігають свої люциферини та люциферази в окремих залозах під шкірою. У разі небезпеки вони відкривають залози і виганяють у воду світяться хмари, заплутуючи хижаків.
Численні черви, морські зірки, порожнисті тварини та молюски, а також деякі риби вступили в симбіоз з бактеріями, які позбавляють їх від світлової роботи. Деякі люмінесцентні бактерії, такі як Vibrio balticum та Bacterium phosphorescens, живуть поодинці у воді і в певний час виробляють романтичне сяйво моря. Інші процвітають на мертвому м’ясі або гниючому дереві і надають йому примарного мерехтіння.
Люди навчилися використовувати біолюмінесценцію як джерело інформації. Гени люциферази, які контрабандно потрапляють у бактерії та поєднуються зі спеціальними «молекулами сприйняття», можуть використовуватися як біологічні вимірювальні прилади: вони можуть, наприклад, повідомляти про токсини навколишнього середовища у воді.
У природі також біолюмінесценція часто виконує сигнальну функцію. Наприклад, це на службі пошуку партнера. Світлячки виблискують в пориві любові теплими червневими ночами: комахи-самці танцюють у повітрі, тоді як самки, відомі як світяться черви або саранча, чекають на корточках у траві і заграють сяючими опушками.
Однак для деяких чоловіків роду Фотін любовний танець закінчується фатально. Оскільки самки роду світлячків Фотурис імітують сигнали флірту дам Фотіна - і люблять їсти обманених самців Фотіна.