Николай Олейников
Античные философы полагали, что фундамент мироздания сложен из четырех основных элементов – земли, воздуха, огня и воды. Великий Аристотель добавил к этой комбинации пятую сущность – так называемую квинтэссенцию, из которой якобы построены эфирные тела. Он считал, что вещество можно дробить бесконечно, так никогда и не добравшись до той мельчайшей крупинки, которая уже не поддается дальнейшему дроблению. Упрямые атомисты не соглашались с корифеем всех наук, настаивая на том, что материя состоит из атомов – крохотных неделимых частиц, пребывающих в постоянном движении (слово "атом" в буквальном переводе с греческого означает "неделимый"). Эту идею поддерживали такие выдающиеся мыслители древности, как Демокрит, Эпикур и Левкипп, но поскольку античная наука была насквозь спекулятивной и боялась эксперимента как черт ладана, толку от этих упражнений в суесловии было чуть. Даже когда английский естествоиспытатель Джон Дальтон в 1803 году показал, что химические вещества всегда соединяются в определенных пропорциях, многовековой спор между двумя школами все еще не был окончательно решен в пользу атомистов.
Впрочем, в позапрошлом веке подавляющее большинство ученых уже не сомневалось в корпускулярном строении вещества. К концу XIX столетия, когда Джозеф Джон Томсон из Тринити-колледжа в Кембридже открыл электрон, стало понятно, что атом имеет сложную внутреннюю структуру и не является элементарным кирпичиком мироздания. Но каким образом электроны и протоны (нейтрон был открыт только в 1932 году Джеймсом Чэдвиком) располагаются в атоме друг относительно друга, было совершенно не ясно. Скажем, лорд Кельвин считал атом сферическим образованием, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд, а внутри сферы в статическом равновесии находятся отрицательно заряженные электроны. Но уже буквально через несколько лет Резерфорд не оставил от этой модели камня на камне.
Опыт английского физика был сравнительно прост. Он обстреливал тончайшую золотую фольгу пучком альфа-частиц, летящих со скоростью 20 тысяч километров в секунду. Альфа-излучение – это массивные положительно заряженные частицы, испускаемые некоторыми нуклидами в процессе радиоактивного распада. Резерфорда занимал вопрос, насколько сильно отклонятся частицы, пройдя через золотую фольгу. Картинка получилась весьма любопытная. Как и следовало ожидать, большая часть альфа-частиц пробила фольгу навылет, практически не отклонившись или отклонившись на незначительный угол в 2–3 градуса. Но некоторые частицы отклонялись гораздо заметнее – на 90 градусов и больше, а отдельные немногие и вовсе отскакивали назад, как отлетает от стены брошенный мяч. Складывалось впечатление, что атомы тончайшей пленки могут быть серьезным препятствием на пути стремительно летящих массивных альфа-частиц. Это казалось совершенно невероятным: с таким же успехом можно было предположить, что лист ватмана способен остановить винтовочную пулю.
И тут Резерфорда вдруг осенило. Он воспользовался примером, что называется, из другой оперы – представил, как ведет себя комета в окрестностях Солнца. Попав в мощное гравитационное поле нашего светила, она может сильно изменить траекторию полета, сделать, например, виток и удалиться от Солнца в самом неожиданном направлении. С другой стороны, гравитационное взаимодействие между объектами микромира настолько мало, что его вряд ли имеет смысл принимать во внимание. Тогда, быть может, внутри атома действуют какие-то другие силы, например электромагнитные? Альфа-частица действительно заряжена положительно, но вот беда: сам-то атом электрически нейтрален! А что если внутриатомный заряд распределен неравномерно? Ведь комета тоже взаимодействует не со всей солнечной системой, а только с ее центральным звеном – Солнцем. И Резерфорд догадался, что непротиворечиво объяснить результат эксперимента можно только одним-единственным способом. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вокруг ядра вращаются, как планеты вокруг Солнца. Причем атомное ядро много меньше атома в целом (как и Солнце значительно меньше Солнечной системы), хотя почти вся масса атома сосредоточена как раз в атомном ядре. Поэтому те альфа-частицы, которые пролетели вдали от ядра, почти не подверглись его влиянию, а вот частицы, захваченные ядром, отклонились очень сильно. А поскольку атом за исключением ядра практически пуст, количество ощутимо отклонившихся частиц было весьма незначительным.
Сегодня мы знаем, что размер атома составляет в среднем 10-8см, а размер атомного ядра – 10-13см. Разница на пять порядков, то есть в 100 тысяч раз! Заряды протона и электрона противоположны по знаку и равны в абсолютном выражении, а вот масса протона превосходит массу электрона в 1836 раз. В электрически нейтральном атоме число протонов соответствует числу электронов, но протоны собраны в исчезающе малом объеме (а ведь там еще есть нейтроны, превосходящие электроны по массе примерно на ту же самую величину), в то время как электроны распределены по всему атому. Таким образом, положительный заряд и почти вся масса атома предельно сконцентрированы, а отрицательный заряд распылен, "размазан" по всему пространству крохотной "солнечной системы".
Разумеется, планетарная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, не осталась неизменной до сегодняшнего дня. Первые серьезные поправки в нее внесли еще Нильс Бор и Вольфганг Паули, и с течением времени атом стал все меньше и меньше напоминать Солнечную систему. Во второй половине прошлого века выяснилось, что нуклоны атомного ядра (современная физика считает, что протон и нейтрон – это два зарядовых состояния одной и той же частицы – нуклона) вовсе не исходные кирпичи мироздания, а построены в свою очередь из особых субъядерных частиц – кварков. Этот термин придумал Мюррей Гелл-Манн, теоретик из Калифорнийского технологического института, позаимствовавший звонкое словечко у Джеймса Джойса, автора заумной вещи "Поминки по Финнегану". В 1969 году за исследование кварков он был удостоен Нобелевской премии.
Как мы видим, от Солнечной системы почти ничего не осталось. И хотя сегодня нам прекрасно известно, что реальный электрон совсем не похож на планету, а если его и можно с чем-то сравнить, то скорее с неким размытым облаком, обладающим сложными свойствами, это ничуть не умаляет ценности предложенной Резерфордом модели. Не подлежит сомнению, что сам английский ученый в полной мере отдавал себе отчет в приблизительности собственной аналогии, хотя не имел понятия ни о принципе неопределенности Гейзенберга, ни тем более о кварках Гелл-Манна.
Тем не менее модель Резерфорда сразу же столкнулась с серьезными трудностями. Поскольку электрон пребывает в постоянном движении, то он, по сути дела, представляет собой движущийся электрический заряд, который непрерывно растрачивает энергию, ибо движущийся заряд обязан излучать. Следовательно, через очень короткое время обессилевший электрон, бездарно разбазаривший свой золотой запас, должен по суживающейся спирали обрушиться на ядро. Другими словами, атом Резерфорда предельно нестабилен, он обязан погибнуть в считанные доли секунды. Выход из этого неприятного положения нашел великий датчанин Нильс Бор, один из создателей квантовой механики.
Однако сначала как следует разберемся со строением атома. В простейшем случае атомное ядро состоит из одного-единственного протона. Так устроен, например, атом водорода: положительно заряженный протон в центре и несущий отрицательный заряд электрон, расположенный на орбите вокруг протона. В целом атом водорода электрически нейтрален, так как плюс на минус в итоге дает нуль (напоминаем, что хотя электрон и протон различаются по массе в 1836 раз, их заряды по величине равны). Итак, структуру атома простого водорода (протия) можно изобразить графически следующим образом: ]Н. Единица внизу слева от химического символа водорода (Н) обозначает атомный номер элемента, который соответствует числу протонов в ядре (а поскольку атом электрически нейтрален, электронов на орбитах ровно столько же, сколько протонов). Единица вверху слева – это массовое число, отражающее количество нуклонов в ядре (то есть протоны плюс нейтроны). В случае обычного водорода, протия, нейтронов в ядре нет, поэтому атомный номер и массовое число равны между собой.
Если добавить в ядро обычного водорода нейтрон, мы получим его изотоп – дейтерий, или тяжелый водород. Тогда его формула будет выглядеть так: 1 1H. Атомный номер по-прежнему равен единице, ибо количество протонов в ядре не изменилось, а вот массовое число выросло вдвое, поскольку к протону добавился не имеющий заряда нейтрон. У водорода есть еще один изотоп – тритий, формула которого запишется следующим образом: 3 1H. Легко видеть, что в ядре трития содержатся 2 нейтрона и 1 протон (массовое число равно трем), а вот атомный номер опять же не изменился, так как протон все еще пребывает в гордом одиночестве. И протий, и дейтерий, и тритий химически совершенно идентичны и представляют собой один и тот же элемент – водород, потому что химические свойства элементов связаны с валентными электронами, а их количество во всех трех случаях совершенно одинаково (число протонов равно числу электронов).
Итак, химические элементы, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа, называются изотопами. Или еще проще: изотопы – это ядра атомов, различающиеся числом нейтронов, но содержащие одинаковое количество протонов. Все три ипостаси водорода – протий, дейтерий и тритий – будут занимать одну и ту же ячейку в Периодической системе элементов. А теперь попытаемся применить полученные знания на практике. Как известно, природный уран состоит из смеси трех изотопов – уран-238, уран-235 и уран-234, причем на долю урана-238 приходится более 99 %. Вот его формула: 238 92U. Атомный номер урана-238 выражается числом 92, следовательно, в его ядре содержится 92 протона, а вот суммарное количество протонов и нейтронов равняется 238. Чтобы узнать, сколько в ядре урана-238 имеется нейтронов, нужно вычесть из большего числа меньшее: 238 минус 92 равно 146. Итак, нейтронов в ядре урана почти вдвое больше, чем протонов. То же самое относится и к двум другим его изотопам, только количество нейтронов в их ядрах будет немного меньше. Все три изотопа природного урана занимают одну и ту же клетку Периодической системы элементов и содержат 92 протона (их атомный номер один и тот же). Такие перегруженные нейтронами ядра весьма нестабильны и способны самопроизвольно распадаться. Это явление называется радиоактивным распадом и сопровождается генерацией жесткого излучения (различные варианты радиоактивного распада мы разбирать не станем). Между прочим, ядро трития, в отличие от дейтерия и обычного водорода, тоже нестабильно, потому что имеет избыток нейтронов.
Вернемся к атому Резерфорда, который не имеет права на существование. Как сохранить жизнь электрону, который растрачивает энергию, обращаясь вокруг атомного ядра? Как уже говорилось выше, решение этой проблемы нашел Нильс Бор. Он постулировал, что электрон располагается не на любой произвольной орбите, а только на той, которая лежит на некотором вполне определенном расстоянии от ядра. Двигаясь по таким разрешенным орбитам, электроны не излучают, а следовательно, не теряют энергию. Испускание или поглощение энергии происходит при перескоке электрона с орбиты на орбиту, причем весьма важно то обстоятельство, что эта энергия квантована, то есть разбита на своего рода порции. Электрон стремится занять в атоме наиболее выгодный в энергетическом отношении уровень, где его энергия минимальна. Чем ближе орбита лежит к ядру, тем меньше энергия у находящегося на ней электрона. Если ближайшая к ядру орбита оказывается уже занятой, электрон взлетает на более высокую орбиту, но для этого ему необходимо приобрести дополнительную энергию, то есть поглотить квант света (электромагнитного излучения). Испустив квант электромагнитного излучения, электрон может спуститься этажом ниже.
Важно помнить, что все эти орбиты – как близкие, так и далекие – отнюдь не произвольны, а представляют собой жестко фиксированные энергетические уровни. В известном смысле систему электронных оболочек (или орбит) можно уподобить обыкновенной лестнице. Чтобы подняться вверх по ступенькам, нужно совершить работу, то есть затратить некоторую энергию. Спуск вниз дается несравненно легче, но висеть между ступеньками все равно нельзя: в каждый отдельно взятый момент времени верхолаз обязан занимать вполне конкретную ступеньку. Внутриатомная лестница фиксирована столь же жестко. Электрон, поглотивший квант электромагнитного излучения (напоминаем, что это строго отмеренная порция энергии), получает возможность шагнуть на следующую ступеньку, ибо его энергия возросла. Мерой этой энергии будет расстояние между ступеньками. Чем больше энергии приобретет электрон, тем выше он сможет вскарабкаться. Однако электрон всегда мечтает вернуться на первый этаж, так как это самая выгодная позиция. Он может сразу свалиться на исходный уровень, и тогда энергия испущенного им электромагнитного излучения будет в точности равна той, которая была первоначально поглощена. А вот если он застрянет посередине, то его излучение будет давать иную энергию, а следовательно, и длину волны. Итак, энергия, приобретаемая или теряемая электроном, определяется расстоянием между ступеньками.
Высвободившаяся из атома энергия может быть зарегистрирована. А поскольку каждый химический элемент имеет, так сказать, свой уникальный набор ступенек, спектры излучения различных веществ будут в высокой степени индивидуальны. Другими словами, каждый химический элемент имеет свою визитную карточку, что очень на руку астрофизикам. Изучая спектры далеких звезд, можно идентифицировать содержащиеся в них химические элементы.
Итак, мы пришли к выводу, что боровский атом ничуть не похож на атом Резерфорда. С другой стороны, к реальному атому он тоже имеет весьма косвенное отношение, потому что атом Бора (атом, который построил Бор, как поется в известной песне, пародирующей знаменитое английское стихотворение) – не более чем удобная модель, позволяющая понять суть процессов, совершающихся в мире элементарных частиц. Однако прежде чем перейти к фундаментальным кирпичам мироздания (сиречь вышеупомянутым элементарным частицам), необходимо хотя бы коротко остановиться на принципе неопределенности, который является альфой и омегой квантовой теории. Если выдающийся немецкий физик Макс Планк предположил в 1900 году, что никакое электромагнитное излучение (видимый свет, рентгеновские лучи, а также волны любых длин) не может генерироваться с произвольной интенсивностью, но непременно должно дозироваться порционно (Планк назвал эти порции квантами), то другой знаменитый немец, Вернер Гейзенберг, сформулировал свой основополагающий принцип.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно в одно и то же время точно измерить координаты частицы и ее скорость. Суть рассуждений Гейзенберга понять нетрудно. Если вы хотите предсказать, каким образом изменятся положение и скорость частицы, вы должны уметь производить точные измерения здесь и сейчас. Совершенно очевидно, что для этого вы должны направить на частицу пучок света, и чем короче будет длина волны светового пучка, тем точнее вам удастся рассчитать координаты частицы. Однако, исходя из гипотезы Планка, свет нельзя дозировать произвольно малыми порциями, ибо у него имеется некий неделимый фрагмент – один квант. Понятно, что этот квант непременно внесет возмущение в траекторию частицы и непредсказуемо поменяет ее скорость. Чтобы добиться большей точности в измерении координаты частицы, вы станете укорачивать длину волны, и тогда энергия кванта автоматически возрастет. (Длина волны связана с энергией кванта обратно пропорциональной зависимостью: чем короче длина волны, тем выше энергия.) Следовательно, скорость сразу же увеличится. Стивен Хокинг, один из столпов современной теоретической физики, пишет об этом так:
Иными словами, чем точнее вы пытаетесь измерить положение частицы, тем менее точными будут измерения ее скорости, и наоборот. Гейзенберг показал, что неопределенность в положении частицы, умноженная на неопределенность в ее скорости и на ее массу, не может быть меньше некоторого числа, которое называется сейчас постоянной Планка. Это число не зависит ни от способа, которым измеряется положение или скорость частицы, ни от типа этой частицы, т. е. принцип неопределенности Гейзенберга является фундаментальным, обязательным свойством нашего мира.
Принцип неопределенности имеет далекоидущие следствия, в том числе и философского характера. Окончательно накрылась медным тазом дерзкая мечта детерминистов, которые на голубом глазу брались предсказывать будущее Вселенной, если в их распоряжении окажутся точные координаты всех составляющих ее частиц. Стало понятно, что субъект и объект познания не могут существовать друг без друга и навсегда повязаны одной веревочкой.
Прикоснуться к объекту, ничуть его не возмутив, сумел бы разве что Господь Бог, но мы безжалостно выносим его на свалку истории, ибо сказано: не следует умножать число сущностей сверх необходимости (Уильям Оккам, средневековый английский философ). Подход Оккама (или "бритва Оккама") в 20-х годах прошлого века был взят на вооружение Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и Полем Дираком, в результате чего классическая механика уступила место квантовой теории, во главу угла которой был положен принцип неопределенности.
Квантовая механика раз и навсегда перечеркнула детерминизм, на котором покоилась старая физика, и внесла в науку неизбежный элемент непредсказуемости. Бескрылая и плоская однозначность уступила место вероятностному подходу.
Зная исходные параметры системы, мы уже не можем гарантировать вполне определенного результата, а говорим лишь о том, что система будет находиться в том или ином состоянии с некоторой вероятностью. Это было настолько непривычно и удивительно! Даже такой еретик и революционер, как Альберт Эйнштейн, однажды в связи с этим в сердцах заявил, что Бог не играет в кости. Тем не менее большинство ученых сразу же приняли квантовую механику, поскольку она давала прекрасное согласование с экспериментом.
Из принципа неопределенности самым непосредственным образом вытекает так называемый корпускулярно-волновой дуализм. Любая частица может запросто обернуться волной, и наоборот: суть вещей, как ни странно, ускользает от строгих формулировок. Скажем, электромагнитное излучение распространяется в виде фиксированных порций, или квантов, что убедительно продемонстрировал Макс Планк. Однако в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга фотоны (кванты электромагнитного излучения) в то же самое время ведут себя как волны, не имеющие определенного положения в пространстве, но "размазанные" по нему с некоторым распределением вероятности. Свет в данном случае – отнюдь не исключение; точно так же ведут себя все прочие частицы, которые принято называть элементарными.