В 1666 году английский физик Исаак Ньютон провел эксперимент в специально оборудованной затемненной комнате с проделанным в оконном ставне маленьким отверстием. Он поднес к проникающему через отверстие солнечному лучу треугольную стеклянную призму, которую купил на местной увеселительной ярмарке. (В то время призмы считали безделушками, игрушками для детей.) Луч белого света превратился в яркую радугу, которую Ньютон спроецировал на стену. Ньютон был глубоко религиозным человеком и, поскольку в христианском символизме важную роль играло число семь, он увидел в радужном спектре семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. По его мнению, свет состоял из микроскопических цветных корпускул, или частиц. Например, зеленый свет представлял собой поток крошечных зеленых частиц, очень быстро движущихся по прямым траекториям. Если им не препятствовать, они будут бесконечно двигаться вперед, но, столкнувшись с блестящей поверхностью, такой как зеркало, симметрично отразятся от нее. Эти предполагаемые крошечные частицы вели себя почти как бильярдные шары, отскакивающие от стенки. Ньютон любил играть в бильярд и счел эту аналогию весьма подходящей – и, поскольку он был известным человеком, все с ним согласились.

Ньютоновскую теорию частиц очень долго воспринимали как незыблемую истину, пока английский врач и физик Томас Юнг не провел оригинальный эксперимент, полностью перевернувший оптическую науку. Он направил луч света на пластину с двумя параллельно расположенными прорезями. Рисунок, образованный лучами, проходящими через эти прорези, стал для всех огромной неожиданностью. Он представлял собой не проекцию двух отдельных отверстий, а серию чередующихся темных и светлых полос. Они выглядели в точности как рябь на поверхности воды, и теория частиц никак не могла объяснить это явление. Академический маятник стремительно качнулся в противоположную сторону – теперь все были твердо убеждены, что свет представляет собой последовательность волн, распространяющихся из некоего источника. В целом с этим можно согласиться, однако в те времена люди также считали, будто эти волны можно увидеть невооруженным глазом, – а теперь мы знаем, что это не так.

Открытия Уильяма Гершеля и его сестры Каролины поведали нам о существовании других видов света за пределами видимого спектра, в частности инфракрасного света. Немецко-польский химик и физик Иоганн Риттер открыл ультрафиолетовый свет, но лишь в XIX веке открытия в области света оформились по-настоящему. В 1864 году шотландский математик и физик Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что свет представляет собой разновидность электромагнитного излучения – электрические и магнитные волны, движущиеся со скоростью света. Свет, который мы видим, лишь часть гораздо более широкого спектра электромагнитного излучения. Радиоволны, микроволны, рентгеновское излучение и видимый свет – все это формы излучения, принадлежащие к известному электромагнитному спектру.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк положил начало новой квантовой эре. Электрические компании, желавшие добиться от нового захватывающего изобретения – электрических лампочек – максимальной мощности света при минимальных энергетических затратах, обратились к Планку за помощью. Задача была довольно сложной, поскольку, если сложить энергию всех световых частот, потребность в энергии была бы бесконечной. И Планк предположил, что свет существует только в дискретных единицах, или квантах. Чтобы довести этот аргумент до логического конца, потребовалась смелость немецко-швейцарского физика Альберта Эйнштейна, который с помощью фотоэлектрического эффекта объяснил, что свет все же представляет собой поток частиц (и получил за свое объяснение Нобелевскую премию).

Так что же такое на самом деле свет – волны или частицы? Похоже, мы снова вернулись к тому, с чего начали. Но в 1924 году французский физик Луи де Бройль положил конец спорам с помощью одного изящного равенства. Свет является одновременно и тем и другим. В квантовом мире движущиеся объекты или частицы вполне можно рассматривать как колебания или как волны. В зависимости от ситуации удобным может оказаться и то и другое наименование. Современная физика изящно решила эту головоломку, внимательно взглянув на воду. Сугробы в занесенном снегом поле на самом деле состоят из множества крошечных снежинок, и в этом нет никакого парадокса. Отдельные капли образуют океан. И этот мысленный образ подводит нас к современному пониманию природы света.

Последние разработки в области смешения вещества и света направили нас к совершенно новому пониманию оптической науки. Мы получили возможность изучать и постигать процесс фотосинтеза, создавать новые материалы. Один из них – графен, чудо-материал, способный, по заверениям ученых, до неузнаваемости преобразить все, от электрических лампочек до архитектурных сооружений и спортивного инвентаря[7]. Как сказал Андрей Серый, директор Института Джона Адамса в Оксфордском университете: «Дух захватывает при мысли, что вещи, которые мы считали никак не связанными – материю и энергию, частицы и свет, – на самом деле можно превращать друг в друга»[8].

Итак, теперь мы знаем, что свет необходим и что баланс света и темноты также необходим для нашего нормального человеческого функционирования. Мы также знаем, что появление электрического света навсегда изменило этот баланс. Но ведь мы не собираемся возвращаться в пещеры, не так ли? Вряд ли можно всерьез думать, что мы можем просто повернуть время вспять и снова стать теми охотниками и собирателями, что жили в рассеянной тени экваториальных тропических лесов (хотя наш первобытный мозг все еще живо реагирует на такой тип освещения: если хотите в этом убедиться, попробуйте прогуляться в солнечный день в тенистом парке).

Мы знаем, что мы подлинные дети современной эпохи, привыкшие круглосуточно пользоваться всеми преимуществами, которые она нам принесла. Благодаря стремительному развитию технологий мы живем дольше и получаем более качественную медицинскую помощь. Растущая мощь вычислительной техники позволяет нам давать нашим детям лучшее образование. Отказываться от этих достижений было бы опрометчиво, не говоря уже о том, что это просто невозможно. Однако многие из нас ищут способ контролировать вторгающийся в нашу жизнь бурный поток электрического света – об этом говорит появление Международной ассоциации темного неба и приложений, включающих ночной режим на наших телефонах и компьютерах. Мы стремимся поставить электрический свет на службу своему благополучию и используем его как лечебное средство, одновременно не забывая и об огромной пользе естественного света.

Но, прежде чем обратиться к проблемам современности, давайте внимательнее изучим естественный свет: как сделать его своим другом, чем он для нас полезен (и чем вреден!), каким образом мы потребляем естественный свет и как можно безопасно пользоваться его преимуществами.