Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

Правила, изложенные выше, могут на первый взгляд показаться произвольными, но у них есть реальные основания в нашей математической модели квантового мира, и они позволяют нам предсказывать закономерности поведения, отраженные в Периодической таблице химических элементов. Однако для наших целей нам, по большей части, не нужны подробности, о которых нам известно благодаря постижению квантовой механики. Нам необходима модель, которая бы позволила рассчитывать срок жизни атомов, использовать его в наших интересах и интерпретировать. Принципы, о которых мы говорили в этой главе, дают для этого основу, и чтобы применить их в воссоздании истории, нам нужно лишь понять, как они связаны с понятием энергии.

Энергия

Энергия – это фундаментальная концепция в построенных нами моделях материального мира, и она неразрывно связана с атомами в том виде, в каком мы пытаемся осмыслить их суть. В отличие от некоторых других терминов, принятых в физике, формальное определение энергии очень близко к тому значению, в каком мы используем это слово в повседневной речи: энергия представляет собой способность совершать работу – толкать или тянуть; производить движение, сопротивляться ему или менять его скорость или направление; преображать вещество из одной формы в другую. Огромная практическая польза нашего представления об энергии заключается в том, что, хотя энергия и предстает во множестве обликов и охотно меняет формы, ее нельзя ни создать, ни уничтожить. В физике мы говорим о том, что энергия сохраняется.

В каждом из четырех фундаментальных взаимодействий проявляются разные формы энергии. Гравитация заставляет объекты, обладающие массой, приближаться друг к другу. Каждая частица, присутствующая на Земле, притягивает все остальные земные частицы, поэтому мы говорим, что наша планета обладает гравитационной энергией – и эта энергия эквивалентна той, которая необходима, чтобы разобрать ее, частица за частицей, и направить все эти частицы в бесконечность. Именно такое количество энергии высвободилось в то время, когда все планетезимали ранней Солнечной системы срослись и сформировали Землю. Остаток этой энергии сегодня проявляется во внутренней температуре нашей все еще остывающей планеты, равной 6000 К. Если вы, удерживая какой-нибудь предмет над поверхностью Земли, отпустите его, он упадет «вниз»; таким образом, он обладает потенциальной гравитационной энергией, поскольку притягивается к центру Земли (именно так определяется направление «вниз»). Плотины ГЭС и водяные мельницы работают, захватывая эту потенциальную энергию по мере того, как вода, устремляясь вниз, рождает электричество или вращает водяное колесо.

Электромагнитное взаимодействие проявляет энергию самыми разными способами. Благодаря ему вращается стрелка компаса, а высокоэнергичные частицы, излученные Солнцем, наводятся на Северный полюс, рождая северное сияние. Колебания электронов в проводах заряжают наши фонарики и телефоны и вращают колеса электропоезда. Свет – это высшая форма электромагнитной энергии, волна колеблющегося электрического и магнитного поля, которая мчится сквозь пространство со скоростью в 300 000 км/с (см. рамку 4.2, где кратко описаны длина волны света, энергии и соответствующие температуры). Две частицы, одна из которых характеризуется положительным зарядом, а другая отрицательным, притягивают друг друга и, по аналогии с гравитацией, обладают потенциальной электрической энергией, когда находятся во взаимном отдалении, и электрической энергией связи, когда соединены. Энергия, которая высвобождается (или поглощается), когда атомы меняют свое взаимное расположение, чтобы сформировать (или расщепить) молекулы, – тоже электромагнитная по своей природе, – называется химической энергией.

Ядерные взаимодействия, уже из названия которых следует, что они ограничены масштабами атомного ядра, безраздельно господствуют в своем «царстве» и производят энергии связи, сила которых невероятна и которые, при высвобождении, могут порождать высокоскоростные частицы или фотоны и преображать атомы того или иного рода в другой. Даже масса как таковая представляет собой форму запасенной энергии, и если она высвобождается при встрече частиц вещества и антивещества или при образовании нового атомного ядра, при этом может выделиться огромное количество энергии, что отражено в знаменитом уравнении Эйнштейна E = mc², где m – масса, а c – скорость света. И Солнце, и атомные электростанции – это примеры преобразования массы в энергию.

Как мы отмечали в третьей главе, тепло – это тоже форма энергии, представленная движением частиц, из которых состоит вещество. Такая энергия движения как на микроскопическом (колеблющиеся атомы), так и на макроскопическом (мчащийся пассажирский поезд) уровне называется кинетической энергией и равна произведению половины массы движущегося объекта на квадрат его скорости (Ek = ½ mv²).

Рамка 4.2. Электромагнитный спектр

У электромагнитной волны энергия обратно пропорциональна длине волны (чем короче длина волны, тем быстрее колебания, и это, в свою очередь, свидетельствует о большей энергии). В частности:

E = hc/λ, где обозначено следующее:

E = энергия волнового пакета, так называемого фотона (в джоулях)

h = постоянная Планка, основная константа природы = 6,63 × 10^–34 Дж·c

c = скорость света, еще одна константа, в вакууме равная 3 × 10⁸ м/с

λ = длина волны света (расстояние между двумя соседними гребнями)

Для процессов, происходящих на атомном уровне, несколько практичнее выражать энергии не в джоулях, а в электронвольтах, эВ:

1 эВ = 1.6 × 10^–19 Дж; 1 кэВ = 10³ эВ; 1 МэВ = 10⁶ эВ

Любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение с длиной волны, обратно пропорциональной температуре. Чем выше значение T, тем быстрее движутся частицы и тем меньше, в свою очередь, длина волны λ:

λ_max = 0,0029 м/T [K], где:

λ_max = пик спектра, где излучается максимальное количество энергии

0,0029 м = константа, используемая для того, чтобы получить результат в метрах

T [K] = температура, измеренная в кельвинах.

Спектр (в каком-то смысле произвольно) разделен на неравные доли, которым присвоены различные имена, хотя, в сущности, это непрерывный диапазон, не ограниченный ни с какой стороны.

В то время как для измерения всех остальных физических свойств американцы (и жители Бермудских островов) используют устаревшие английские единицы (дюймы, футы, мили, фунты, кварты и так далее), для энергии даже в Америке приняли метрическую систему. Самая известная единица ее измерения – это калория, которую можно найти на этикетках, маркирующих пищевые продукты от мороженого до сырных палочек. Одна килокалория (именно в них измеряется калорийность, и исторически они назывались «большими» калориями, а в английском обозначаются с заглавной C, Calorie⁵) – это мера энергии, необходимой для того, чтобы повысить температуру 1 литра воды на 1 °C (как видите, везде метрическая система). Таким образом, количество килокалорий, указанное на этикетках, – это мера химической энергии, запасенной в упаковке, и как только вы переварите всю еду, заключенную в эту упаковку, энергия высвободится в форме тепла, пойдет на формирование жировых клеток и так далее.

Скорость, с которой используется энергия, называется мощностью, и привычная нам единица измерения мощности также метрическая – это ватт. 1 ватт призван обозначить энергию в 1 джоуль, использованную за 1 секунду, где джоуль (выводимый из формулы кинетической энергии, равной произведению массы на квадрат скорости) равен 1 кг м²/с²; примерно столько энергии тратит килограммовая курица на спокойное перемещение. В одной килокалории 4184 Дж (этот странный коэффициент появился в результате того, что калориям давали самые разные определения – сложно усмотреть очевидную равноценность, сравнивая нагрев воды и куриную прогулку).