Краткая история почти всего на свете
Шрифт:
К началу XX века было уже известно, что атомы состоят из частей, — это было установлено в результате открытия Томсоном электрона. Но тогда еще не знали, из какого количества частей состоит атом, как они крепятся друг к другу и какую форму принимают. Некоторые физики думали, что атомы имеют форму куба, потому что куб можно сложить таким образом, чтобы не оставалось пустого пространства. Правда, более общепринятым было представление об атоме, похожем на булочку с изюмом: что это плотный, положительно заряженный предмет, напичканный, как изюмом, отрицательно заряженными электронами.
В 1910 году Резерфорд (при участии своего студента Ханса Гейгера, который позднее изобрел детектор радиоактивности, носящий его имя) обстрелял листок золотой фольги ионизированными атомами гелия, иначе альфа-частицами*.
– --
* (Гейгер позднее станет убежденным нацистом, без колебаний выдававшим коллег-евреев, включая многих,
К удивлению Резерфорда, некоторые частицы отскакивали назад. Словно, по его словам, он выстрелил 15-дюймовым снарядом в лист бумаги, а снаряд отскочил ему на колени. Возможность такого явления было невозможно предположить. После долгих размышлений он нашел единственно возможное объяснение: частицы отскакивали, сталкиваясь с чем-то очень малым и плотным в сердцевине атома, тогда как другие частицы беспрепятственно пролетали сквозь лист. Атом, догадался Резерфорд, это в основном пустое пространство с очень плотным ядром в центре. Это было весьма обнадеживающее открытие, но оно сразу ставило одну проблему. По всем законам традиционной физики атомы в таком случае не должны были существовать.
Прервемся на минутку и рассмотрим строение атома, как оно представляется теперь. Каждый атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, несущих положительный электрический заряд, отрицательно заряженных электронов и нейтронов, которые не несут никакого заряда. Протоны и нейтроны плотно упакованы в ядро, а электроны обращаются вокруг него. Химическую индивидуальность дает атомам количество протонов. Атом с одним протоном — это атом водорода, с двумя — атом гелия, с тремя — лития и так далее по таблице. Добавляя протон, вы каждый раз получаете новый элемент. (Ввиду того, что число протонов в атоме всегда уравновешивается равным числом электронов, иногда можно прочесть, что элемент определяется количеством электронов, что, в сущности, одно и то же. Как мне объяснили, протоны придают атому индивидуальность, а электроны определяют его личность.)
Нейтроны не влияют на идентичность атома, но увеличивают его массу. Число нейтронов обычно примерно такое же, как и протонов, хотя может несколько отличаться в ту или иную сторону. Добавьте или убавьте нейтрон-другой, и вы получите изотоп. Обозначения, которые вы встречаете в связи с датированием пород в археологии, относятся к изотопам, например, термин «углерод-14» означает атом углерода с 6 протонами и 8 нейтронами (в сумме получается 14).
Нейтроны и протоны занимают ядро атома. Оно совсем крошечное — всего одна миллионная миллиардной части полного объема атома, — но фантастически плотное, поскольку содержит практически всю массу атома. Как писал Кроппер, если атом увеличить до размеров собора, ядро будет всего лишь размером с муху, но эта муха будет во много тысяч раз тяжелее собора. Именно эта обширность, эта невообразимая, потрясающая вместительность атома заставили Резерфорда в 1910 году чесать в затылке.
По сей день у многих вызывает удивление мысль о том, что атомы в основном представляют собой пустое пространство, и твердость окружающих нас тел — не более чем иллюзия. Когда в реальном мире друг с другом сближаются два тела — чаще всего в качестве иллюстрации берут бильярдные шары, — они на самом деле не ударяются друг о друга. «Правильнее сказать, — поясняет Тимоти Феррис [132] , — что отрицательные заряды обоих шаров взаимно отталкиваются… Не будь у них электрических зарядов, они могли бы, подобно галактикам, беспрепятственно пройти сквозь друг друга». Сидя на стуле, вы на самом деле не сидите на нем, а висите над ним на высоте одного ангстрема (стомиллионная доля сантиметра), ваши электроны и электроны стула отчаянно противятся любой более тесной близости.
132
Тимоти Феррис (Timothy Ferris, p. 1944) — научный писатель, автор более десятка книг, среди которых «Совершеннолетие на Млечном Пути», удостоенная премии Американского института физики. Феррис также был продюсером записи звуков и изображений Земли, отправленной за пределы Солнечной системы на борту космических аппаратов «Вояджер».
Рисунок атома, как его представляют почти все, состоит из одного-двух электронов, которые обращаются вокруг ядра, наподобие планет, вращающихся вокруг Солнца. Это изображение было создано в 1904 году японским физиком Хантаро Нагаока на основе не более чем догадки. Оно абсолютно неверно, но все равно надолго сохранилось. Как не раз отмечал Айзек Азимов [133] , оно вдохновляло поколения писателей-фантастов на создание произведений о мирах внутри миров, в которых атомы становятся маленькими обитаемыми солнечными системами или наша Солнечная система оказывается всего лишь пылинкой в значительно более крупной системе. Даже сегодня Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) использует созданное Нагаокой изображение в качестве эмблемы своего сайта в Интернете [134] . На самом деле, как вскоре поняли физики, электроны совсем не похожи на вращающиеся по орбитам планеты, а больше напоминают лопасти крутящегося вентилятора, умудряясь одновременно заполнять каждый кусочек пространства на своих орбитах (с одной существенной разницей, что если лопасти вентилятора только кажутся находящимися одновременно везде, электроны действительно находятся сразу всюду).
133
Айзек Азимов (Isaac Asimov, 1920–1992) — знаменитый американский писатель-фантаст, популяризатор науки и биохимик. Автор более 20 фантастических романов, около 30 научно-популярных книг, множества рассказов и заметок. Значительная часть произведений переведена на русский язык.
134
Логотип ЦЕРНа составлен из двух наложенных друг на друга стилизованных колец ускорителей элементарных частиц. Он не менялся, по крайней мере, с 1996 года.
Стоит ли говорить, что очень немногое из этого было понятно в 1910 году или даже годы спустя. Открытие Резерфорда поставило рад крупных неотложных проблем. Не последняя среди них состояла в том, что электроны не могут обращаться вокруг ядра, не падая на него. По законам традиционной электродинамики электрон при вращении должен очень быстро — практически мгновенно — израсходовать свою энергию и по спирали упасть на ядро с гибельными последствиями для них обоих. Была также проблема: каким образом протоны с их положительными зарядами могут быть связаны друг с другом внутри ядра, не разорвав на куски самих себя и весь атом. Становилось ясно, что все происходящее там, в мире очень малого, не подчиняется законам макромира, которые мы берем за основу.
По мере того как физики углублялись в субатомное царство, они начинали понимать, что его реальность не только отличается от всего, что нам известно, но и от всего, что вообще можно себе представить. «Поскольку поведение атома столь сильно отличается от нашего повседневного опыта, — заметил однажды Ричард Фейнман, — очень трудно к этому привыкнуть, и оно представляется необычным и загадочным каждому в равной мере, как начинающему, так и опытному физику». Когда Фейнман высказывался по этому поводу, у физиков уже было полвека, чтобы приспособиться к странностям поведения атомов. Представьте, что должен был испытывать Резерфорд и его коллеги в начале 1910-х годов, когда все это было совершенно новым и неизведанным.
Одним из сотрудников Резерфорда был мягкий обходительный датчанин Нильс Бор. В 1913 году Бору, бившемуся над строением атома, пришла в голову идея, настолько взволновавшая его, что он отложил медовый месяц и сел за написание статьи, которая стала поворотным пунктом в науке.
Поскольку физики не могли видеть столь малые объекты, как атомы, им приходилось делать выводы об их строении, наблюдая, как они реагируют на различные воздействия. Так, например, Резерфорд обстреливал фольгу альфа-частицами. Неудивительно, что иногда результаты таких экспериментов вызывали новые вопросы. Одной из загадок долгое время были особенности спектра водорода. Вид этого спектра говорил о том, что атомы водорода излучают энергию на определенных длинах волн и не проявляются на других. Будто кто-то находящийся под наблюдением обнаруживается то в одном, то в другом месте, но ни разу не был замечен в движении между ними. Никто не мог понять, почему так происходит.
Ломая голову над этой проблемой, Бор неожиданно наткнулся на решение и поспешил изложить его в своей знаменитой статье, озаглавленной «О строении атомов и молекул». В ней объяснялось, как электроны могут удержаться от падения на ядро: для этого выдвигалось предположение, что они могут занимать только отдельные, строго определенные орбиты. Согласно этой новой теории электрон перемещается с орбиты на орбиту, исчезая на одной и мгновенно возникая на другой, не появляясь в пространстве между ними. Эта идея — знаменитый «квантовый скачок» — конечно, была чрезвычайно странной, но она была слишком красивой, чтобы оказаться ошибочной. «Квантовый скачок» не только удерживал электроны от катастрофического спирального падения на ядро, но также объяснял странности с длинами волн в спектре водорода. Электроны появлялись только на определенных орбитах, потому что только на них могли существовать. Это была блестящая проницательная догадка, и она принесла Бору Нобелевскую премию в 1922 году, через год после Эйнштейна.