Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Электромагнитный спектр. Диапазон длин волн электрической и магнитной энергии, которые способны усиливать себя самих. Они перемещаются в вакууме со скоростью света (3 x 10⁸ м/с). Видимый свет представляет собой одну октаву спектра, причем в природе этот спектр охватывает более 60 октав; в их число входят радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Электрон. Элементарная частица, принадлежащая к классу фермионов и несущая электрический заряд –1.

Электронвольт (эВ). Единица энергии, подходящая для взаимодействия фундаментальных частиц на

атомном уровне, где 1 эВ = 1,6 x 10^–19 Дж. Взаимодействия между атомами в молекулах обычно происходят с выделением энергии от 0,1 до 10 эВ, электроны удерживают связь с ядрами с помощью энергии от нескольких до нескольких сотен тысяч эВ (100 кэВ), а для ядерных процессов, как правило, характерна энергия в миллионы эВ (МэВ).

Элементы. 118 (от 1 до 94 – природные; от 95 до 118 – искусственные) основных строительных блоков всех веществ. Они определяются атомным номером (числом протонов; все версии от 1 до 118 способны существовать).

Энергия. Концепция, представляющая способность совершать работу – изменять величину или направление движения. Ее полезность проистекает из того, что энергия, способная принимать множество форм, никогда не создается и не уничтожается. Основные метрические единицы ее измерения – калория, которая представляет собой количество энергии, необходимое для поднятия температуры 1 грамма воды на 1 градус Цельсия, и джоуль; 4,184 Дж = 1 калория.

Ядро. Положительно заряженный массивный центр атома с характерным размером примерно 10–15 мкм, состоящий из протонов и нейтронов.

Примечания

Вступление

1. Изначально секунда определялась как 1/86 400 дня (24 часа x 60 минут (час) x 60 секунд (минута) = 86 400 секунд). Однако, поскольку продолжительность дня зависит от скорости вращения Земли и эта скорость меняется со временем, в 1967 году было принято новое определение, основанное на сверхтонком переходе Cs-133. Современные атомные часы настолько точны, что набирают погрешность в 1 секунду за 3 миллиарда лет – это примерно четверть возраста Вселенной.

Глава 2. Осмысление атома: от философии к науке

1. Bhaskar Jha, “A Critical Study About the Nyaya-Vaisesika Theory of Atomism”, International Journal of Research and Critical Reviews 5, no. 3 (2018): 920–923.

2. Это журнал с открытым доступом и платной публикацией, он не фигурирует в списке подозрительных хищнических журналов, который приводится по адресуcom/journals/, поэтому я предполагаю, что это источник, достойный доверия.

3. Опровергаемость ввел в качестве критерия истинной научной работы философ Карл Поппер в «Логике научного исследования» (1934).

4. Книга Стивена Гринблатта The Swerve: How the World Became Modern (New York: Norton, 2012) была удостоена Пулитцеровской премии и Национальной книжной премии. Цитата приводится на странице 187.

5. Поразительная история этой потери и возвращения блестяще рассказана в книге Гринблатта The Swerve, указанной в предыдущем примечании, хотя следует отметить, что, хотя история открытия, приведенная у Гринблатта, не подвергалась сомнению, характеристику Средневековья, которую он привел, резко критиковали (например, J. Hinch, “Why Stephen Greenblatt Is Wrong and Why It Matters”, Los Angeles Review of Books, December 1, 2012, и ссылки в книге).

6. S. Greenblatt, The Swerve, 220.

7. Saul Fisher, “Pierre Gassendi”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy, ed. Edward N. Zalta, Stanford University, 2014, sec. 10,stanford. edu/archives/spr2014/entries/gassendi/.

8. G. Schilling, Ripples in Spacetime: Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy (Cambridge, MA: Harvard University Press, 2017).

9. Antoine Lavoisier, Traite elementaire de chimie, presente dans un ordre nouveau et d’apres les decouvertes modernes (Paris: Chez Cuchet; Bruxelles: Cultures et Civilisations, 1965). Перевести название можно так: «Начальный учебник химии, изложенный в новом порядке и в соответствии с современными открытиями».

10. M. Bachtold, “Saving Mach’s View on Atoms”, Journal for General Philosophy of Science/Zeitschrift fur allgemeine Wissenschaftstheorie, 41, no. 1 (June 2010): 1–19.

11. B. J. Ford, “Brownian Motion in Clarkia Pollen: A Reprise of the First Observations”, The Microscope, 40, no. 4 (1992): 235–241.

12. S. Greenblatt, The Swerve, xx. Следует отметить, что танец пылинок в солнечном свете не совсем уместно сравнивать с микроскопическим движением пыльцевых зерен по Брауну, поскольку движущей силой последнего в действительности становятся статистически случайные столкновения отдельных молекул, тогда как макроскопические частички пыли перемещаются по воле воздушных потоков, представляющих собой скоординированное направленное движение триллионов молекул воздуха; однако в качественном отношении аналогия разумна. [Русский текст цит. по: Тит Лукреций Кар. О природе вещей / Пер. с лат. Ф. Петровского. – М., 1983. – С. 62–63.]

13. J. J. Thompson, “Cathode Rays”, The Electrician 39 (1897): 104. В этой статье были представлены первые экспериментальные доказательства того, что атомы действительно не являются «неделимыми», а состоят из более мелких частиц – Томпсон назвал их «корпускулами» – с отрицательным зарядом (теперь их называют электронами). Позже он представил атомы как «сливовый пудинг», в котором электроны были подобны изюминкам, хаотично распределенным в уравновешивающем, положительно заряженном тесте.

14. Ernest Rutherford, “The Scattering of ? and ? Particles by Matter and the Structure of the Atom”, Philosophical Magazine 21, no. 125 (1911): 669–688. В этой статье Резерфорд сообщает о поразительном результате эксперимента, который он провел вместе с Эрнестом Марсденом, в котором они рассеивали альфа-частицы (теперь известные как ядра Гелия), пропуская их через тонкую золотую фольгу, и обнаружили, что некоторые из них изменили направление и вернулись обратно к источнику. Резерфорд, как известно, заметил: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а он возвратился бы и поразил вас». Единственное правдоподобное объяснение заключалось в том, что положительный заряд альфа-частиц отталкивался положительным зарядом атома, который, в отличие от гипотетического рассредоточенного распределения атомной модели Томпсона, был сконцентрирован в крошечной части атома – в том, что мы теперь называем ядром.

15. Niels Bohr, “On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I”, Philosophical Magazine 26, no. 151 (1913): 1–24. В этой статье Бор излагает свою модель атома, учитывающую компактное ядро Резерфорда, и вводит в атомную структуру понятие кванта.

16. Max Planck, “On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum”, in Verhandl. Dtsch. Phys. Ges. 2 (1900), p. 237. [Русский перевод: К теории распределения энергии излучения нормального спектра / Избранные научные труды: [пер. с нем. под ред. А. П. Виноградова] / М. Планк. – М.: Наука, 1975. – С. 251.] В этой статье, опубликованной на заре нового века, Планк вводит понятие «кванта» света, который мы теперь называем фотоном.