Брайан Клегг - Вселенная внутри вас
Буквы IBM, составленные из атомов ксенона. Публикуется с разрешения «Press Association Images»
Чуть раньше, в 1980 году, Ганс Демельт, работавший в Вашингтонском университете, изолировал ион бария (ион – это атом, в котором либо не хватает электронов, либо присутствуют лишние электроны, за счет чего он имеет электрический заряд). При подсветке лучом лазера ион бария был ясно виден невооруженным глазом в виде светящейся точки, перемещающейся в пространстве. Вы, конечно, можете возразить, что ион увидеть невозможно и что мы видим только отражающийся от него свет. Но ведь именно так мы видим и любой другой объект.
Пустые атомы и парение над стулом
Атомы нашего тела не только очень малы, но и состоят главным образом из пустоты. Если бы вам удалось сжать материю своего тела, сблизив до предела все частицы, из которых состоят атомы, то образовался бы кубик со стороной менее 1/500 сантиметра.
Одним из чудес космоса являются нейтронные звезды, в которых атомы сжаты до такого предела, что пустое пространство в них отсутствует. В одном кубическом сантиметре вещества, из которого состоит нейтронная звезда (это чуть больше кусочка сахара), содержится около 100 миллионов тонн материи. Целая звезда тяжелее Солнца была бы размером примерно с остров Манхэттен.
Но не опасайтесь, с вашим телом такого не произойдет. Без мощного гравитационного воздействия атомы останутся стабильными. Они образуют молекулы, в частности молекулы кератина, из которых состоит волос, и удерживаются вместе благодаря электромагнитной силе – одной из четырех фундаментальных сил, о которых мы более детально поговорим в 6‑й главе. Молекула может состоять из атомов одного элемента. Так, например, молекула кислорода, которым мы дышим, содержит два одинаковых атома. Но молекула может также состоять из атомов различных элементов. К числу сложных молекул относятся, например, хлористый натрий (обыкновенная поваренная соль) и тот же кератин.
Атомы, из которых состоит вся материя, никогда не соприкасаются друг с другом. Чем ближе они находятся друг к другу, тем больше отталкивающая сила, возникающая в результате взаимодействия их электрически заряженных составных частей. Аналогичное явление мы можем наблюдать, если попытаемся сблизить одноименные полюса двух мощных магнитов. Даже когда кажется, что два тела соприкасаются, на самом деле это не так. Допустим, когда вы сидите на стуле, вы фактически не прикасаетесь к нему. Ваше тело парит над сиденьем на бесконечно малом расстоянии, поддерживаемое отталкивающими силами между атомами.
Возьмите пару магнитов и вспомните, какое удивление вызывало у вас в детстве их взаимодействие. Пожалуй, отталкивание одноименных полюсов представляется даже более таинственным явлением, чем притяжение. Но оно происходит всегда, когда сближаются два предмета. Взаимодействие, удерживающее атомы ваших ягодиц от соприкосновения с атомами сиденья, имеет скорее электрическую, чем магнитную природу, но в принципе оно схоже с отталкиванием одноименных магнитных полюсов.
Проникновение во внутренности атома
Уже вскоре после того, как в 1912 году было доказано существование атомов, выяснилось, что само название «атом» не вполне корректно. Атом не является неделимым. В нем имеются составные части. Ученым уже было известно, что атом содержит отрицательно заряженные частицы – электроны, которые могут его покидать. Поначалу предполагалось, что они находятся внутри положительно заряженной массы подобно сливам внутри сливового пудинга (такое описание предложил английский физик Дж. Томсон). Однако один новозеландец с пышными усами, работавший в Кембриджском университете, доказал, что это совсем не так.
Эрнест Резерфорд выдвинул идею бомбардировки атома другими частицами, чтобы понаблюдать за их реакцией. Это то же самое, что бросать мяч в невидимый предмет и по отскоку судить о свойствах предмета. В роли мяча выступали открытые незадолго до этого альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами (позднее было установлено, что альфа-частица – это ядро атома гелия). При попадании на экран, покрытый флюоресцентным составом, эти частицы производили слабые вспышки. Помощники Резерфорда в темной комнате могли наблюдать за вспышками, вызванными отклонением альфа-частиц от золотой фольги.
Сила воображения, без которой немыслима никакая наука, позволила Резерфорду и его команде предположить, что какая-то из альфа-частиц может отразиться от атома золота в прямо противоположном направлении. Так оно в конце концов и случилось. Результат поразил исследователей. По словам Резерфорда, это было то же самое, как если бы артиллерийский снаряд отразился от папиросной бумаги и полетел обратно. Он догадался, что в атоме должно быть маленькое, но очень плотное, положительно заряженное ядро, которое способно оттолкнуть альфа-частицу. Резерфорд впервые предложил знакомую нам картину атома, похожего на Солнечную систему, в центре которой располагалось положительно заряженное ядро (этот термин он позаимствовал у биологии), а вокруг него – отрицательно заряженные электроны, напоминавшие планеты.
Сливовый пудинг Томсона ушел в небытие. Ядро было настолько меньше самого атома, что его сравнивали с блохой посреди кафедрального собора. По размерам оно составляло 1/100 000 от всего атома и состояло из положительно заряженных частиц, названных протонами. Однако в ядре содержалось до 99,9 процента всей массы. На каждый протон приходился один вращавшийся вокруг него электрон, который уравновешивал электрический заряд. В результате атом оставался нейтральным.
Однако даже эта усовершенствованная картина была еще далека от идеала. В 1932 году в ядре была обнаружена еще одна частица – нейтрон. Он обладал такой же массой, как протон, и с его помощью удалось найти объяснение одной загадке. Дело в том, что существует несколько разновидностей одного и того же элемента, которые называются изотопами. Они не отличаются друг от друга в химическом отношении, но их атомы имеют разный вес. Нейтрон помог разъяснить ситуацию. Количество заряженных частиц определяло, что это за элемент и в какие химические реакции он может вступать, а различия в весе атома зависели от количества нейтронов.
Атом не похож на миниатюрную Солнечную систему
Именно так мы до сих пор и представляем себе атомы, из которых состоит наше тело. Однако после 1932 года наука шагнула далеко вперед. Сегодня ученым известно, что электроны не летают вокруг ядра подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Планетарная модель атома доказала свою несостоятельность. Если бы она соответствовала действительности, у нас возникли бы проблемы. Заряженная частица при ускорении испускает энергию в форме света. А ведь вращение по орбите неизбежно связано с ускорением. Дело в том, что ускорение означает изменение не столько скорости как таковой, сколько вектора скорости.
Скорость представляет собой числовую величину, например 50 километров в час. Вектор скорости – это более многозначное понятие, объединяющее в себе и скорость, и направление движения, например 50 километров в час в северном направлении. Ускорение возникает, когда происходит изменение одной из двух составляющих вектора скорости. Так что даже если мы будем продолжать двигаться с той же скоростью 50 километров в час, но изменим северное направление на восточное, возникнет ускорение. Таким образом, если представить себе, что электрон с бешеной скоростью носится вокруг ядра подобно миниатюрной планете, он постоянно будет менять направление движения и, следовательно, находиться в состоянии непрерывного ускорения. А это значит, что он будет терять энергию, испуская свет, и в доли секунды врежется в ядро. Как следствие, все атомы во Вселенной мгновенно самоуничтожатся.
Квантовый переход
Понять, почему мир до сих пор не исчез в грандиозной вспышке света, помогла квантовая теория. Она утверждает, что привычный образ электрона как крошечной частицы, вращающейся по орбите вокруг ядра, неверен. Электрон в любой момент времени находится не в какой-то определенной точке, а одновременно во всех точках, расположенных вокруг ядра, каждая из которых обладает различной вероятностью. Его конкретное местоположение можно установить только в момент наблюдения. Лучше всего представить себе электроны в виде расплывчатого облака вокруг ядра. Конечно, такую картину нарисовать сложнее, поэтому во многих учебниках все еще присутствует старая планетарная модель.
Электроны, создающее это облако, могут существовать только при определенном уровне энергии. Можно представить себе, что они передвигаются по заданным рельсовым путям. Если придать им дополнительный импульс энергии, они перескакивают на другой путь. Но этот импульс должен иметь строго определенную величину, так как электрон не может находиться где-то посредине между путями. Такие фиксированные импульсы энергии называются квантами. От этого слова и произошло название «квантовая теория».
