Mokslo ir technologijų pasaulis

Turbūt kiekvienas žinome, jog raudona spalva simbolizuoja šilumą, o mėlyna – šaltį. Su tokiais žymėjimais susiduriame kasdien įvairiausiose situacijose, tad gali būti keista sužinoti, jog iš tiesų karštesni daiktai yra mėlynesni už raudonus. Kur čia šuo pakastas?

Simbolinis žymėjimas susijęs su psichologiniu ryšiu, ateinančiu iš tikrai senų laikų: sušilę mes išraustame, sušalę – pamėlstame, taip pat aplinkoje matome raudonas ugnies liepsnas ir melsvą sniegą bei ledą, todėl ir ryšį jaučiame gana natūraliai.

Tą patvirtina ir spalvinių sąsajų vienodumas skirtingose kultūrose, pavyzdžiui Europoje ir Azijoje (tiesa, kai kur Afrikoje vandens čiaupai žymimi atvirkščiai).

Tačiau šie, kasdienės mūsų aplinkos, reiškiniai toli gražu neparodo visos temperatūrų ir susijusių spalvų įvairovės. Jei kokį nors objektą galėtume kaitinti neribotai, iš pradžių jis taptų raudonas, tada geltonas, paskui – baltas, o galiausiai – mėlynas. Taip, būtent karščiausias, o ne šalčiausias, objektas būtų mėlynas, ir tai nepriklauso nuo objekto formos, dydžio ar cheminės sudėties. Viskas remiasi daugiau nei šimtą metų žinomais spinduliuotės dėsniais.

Kiekvienas kūnas skleidžia į aplinką fotonus. Spinduliuotės savybės priklauso nuo kūno temperatūros. Pagrindinės savybės yra dvi: spinduliuotės intensyvumas ir spektras. Spektru vadiname skirtingos energijos fotonų santykinį skaičių tarp visų fotonų. Kuo karštesnis objektas, tuo energingesnius fotonus spinduliuoja. Pavyzdžiui, mūsų kūno temperatūra yra apie 310 Kelvino laipsnių (37 Celsijaus); mes daugiausiai spinduliuojame infraraudonuosius spindulius, kurių bangos ilgis apie dešimt mikrometrų. Saulės paviršiaus temperatūra 5700 kelvinų, ji daugiausiai skleidžia žalių regimųjų spindulių. Kokia nors žvaigždė milžinė, kurios paviršius įkaitęs iki 25000 kelvinų, skleis 125 nanometrų ilgio ultravioletinius spindulius, ir taip toliau.

Štai čia ir slypi temperatūros ir spalvos ryšys: raudoni fotonai turi mažesnę energiją, nei mėlyni, todėl karštesni objektai skleidžia santykinai daugiau mėlynų fotonų ir mažiau raudonų, nei šaltesni. Tiesa, tik santykinai – pakilus objekto temperatūrai, jis ima spinduliuoti daugiau visų bangos ilgių fotonų. Tik energingesnių fotonų spinduliuotė auga daug sparčiau, nei mažiau energingų. Žinoma, panašūs ryšiai veikia ne tik regimųjų spindulių ruože, kuris užima tik mažytę elektromagnetinių bangų spektro dalį. Taigi analogiškus santykius rastume ir matuodami, pavyzdžiui, infraraudonąją spinduliuotę, arba ultravioletinę ar rentgeno. Šaltas objektas skleidžia santykinai daugiau didelio bangos ilgio – mažos energijos – spindulių, nei karštas, kad ir kokius du bangų ilgių intervalus paimtume.

Žemėje labai retai sutinkame objektus, kurių aukšta temperatūra padaro juos pastebimai mėlynus. Bet dalį šio spalvinio progreso galime pamatyti karštuose metaluose: iš pradžių jie įkaista iki raudonumo, paskui iki geltonumo, tada – iki baltumo. Gali kilti klausimas, kodėl baltumo, o ne žalumo, nes jei spalvos eina ta tvarka, kaip vaivorykštėje, po geltonos turėtų sekti žalia. Bet objektas, skleidžiantis daugiausiai žalių spindulių, taip pat skleidžia panašų kiekį raudonų ir mėlynų, todėl susiliejusios visos spalvos padaro jį baltą. Dėl tos pačios priežasties ir mūsų Saulė, žiūrint iš kosmoso, atrodo balta, o ne žalia.

Tik svarbu nepamiršti, kad čia kalbame apie spinduliuotę, kylančią dėl objekto temperatūros. Objektai spinduliuoja ir dėl kitokių priežasčių – tarkime, lazerio arba suvirinimo aparato spinduliuotė nėra šiluminė. Taigi jiems šios taisyklės taikyti negalime: tai, kad suvirinimo aparato liepsna yra mėlyna, nebūtinai reiškia, kad jis karštesnis už raudoną lazerio spindulį.

Beje, šios savybės tyrimai paskatino ir kvantinės fizikos teorijos atsiradimą. XIX amžiuje žmonės suprato, kad kiekvienas objektas turėtų kažkiek spinduliuoti, tačiau bandydami apskaičiuoti tikėtiną spinduliuotę, remdamiesi tuo metu žinomais bangų fizikos dėsniais, gavo rezultatą, jog mažėjant bangos ilgiui, spinduliuotė stiprėja be paliovos. Taigi jei objektas spinduliuoja truputį infraraudonųjų spindulių, jis turėtų skleisti daugiau regimųjų, dar daugiau – ultravioletinių, ir taip toliau. Toks rezultatas, akivaizdžiai neatitinkantis stebėjimų duomenų, buvo pavadintas ultravioletine katastrofa. Jį išspręsti pavyko padarius prielaidą, kad spinduliuotė sklinda ne tolygiomis bangomis, bet pavieniais fotonais, kurių energija priklauso nuo bangos ilgio. Iš pradžių tai buvo tik patogi matematinė aproksimacija, bet vėliau paaiškėjo, kad fotonai – šviesos kvantai – egzistuoja realiai.