Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
К счастью для вселенского порядка, если брать все меньший и меньший масштаб, появляются новые структуры. На масштабе меньше десяти миллиардных метра мы начинаем различать отдельные атомы. Химических элементов нам известно лишь 118, и большинство из них в природе не встречается вообще или встречается лишь в ничтожных количествах.
То, что мы видим на макроскопическом масштабе, ничуть не помогает подготовиться к тому, с чем мы сталкиваемся, когда доходим до размера отдельных атомов, потому что именно тогда на сцену выходит квантовая механика. Говорить о квантовой природе реальности я пока не стану, скажу лишь одно: там царит малоприятная неопределенность. Пока что можно не обращать на нее внимания, однако чуть позже придется залезть в это болото по уши.
Даже если не знать в точности, что представляют собой атомы, вполне можно добиться от них толку. Именно это открыл русский химик Дмитрий Менделеев в XIX веке[10]. С его главным достижением вы, скорее всего, знакомы, если хоть раз в жизни забредали в школьный кабинет химии или физики. Менделеев изобрел периодическую таблицу.
Это не просто длинный список. Менделеев доказал, что элементы в каждом столбце таблицы обладают очень похожими химическими свойствами. Например, медь, золото и серебро находятся в одном столбце, и все они металлы с очень большой проводимостью. Заполнив свободные места, Менделеев сумел предсказать свойства элементов до того, как их удалось открыть в лаборатории!
Сама идея о том, что атомы составляют невидимую основу вещества, уже была сформулирована две с половиной тысячи лет назад, хотя и в довольно примитивном виде. Левкипп, Демокрит и древнегреческие атомисты высказали эту идею в V веке до н. э., и можно с легкостью предположить, что мы последние две тысячи лет потратили на то, чтобы она до нас наконец дошла. Лично я считаю, что древним многовато чести.
В целом первые атомисты говорили лишь о том, что бесконечно делить вещество нельзя. Они не представляли себе, как малы атомы, какая у них структура и что их можно делить дальше (несмотря на то, что само слово «атом» буквально означает «неделимый»).
Мы начали хоть сколько-нибудь понимать, что представляют собой атомы, лишь в последние двести лет, и кульминацией этого стал блистательный анализ броуновского движения, который сделал Эйнштейн в 1905 году. За 80 лет до этого ботаник Роберт Броун изучил под микроскопом пыльцу, взболтанную в жидкости. Броун отметил, что сколько он ни дожидался, когда картина успокоится, частички пыльцы продолжали беспорядочно суетиться.
Эйнштейн абсолютно правильно предположил, что отдельные молекулы постоянно толкали частички пыльцы в разные стороны случайным образом — а из этого он сумел сделать вывод, что атомы существуют в реальности, и даже оценить их размер.
Уже одного убедительного доказательства, что атомы должны существовать, было бы более чем достаточно, чтобы сделать Эйнштейна одним из величайших ученых XX века, однако считается, что это всего лишь третье по важности из открытий, которые он сделал на протяжении одного года. Произошло настоящее чудо, пожалуй, еще не было в истории, чтобы гениальные открытия следовали одно за другим с такой частотой, и недаром 1905 год называют «Чудесным годом» в биографии Эйнштейна — именно тогда была опубликована череда статей, в которых ученый не только доказал, что атомы существуют, но и продемонстрировал, что свет состоит из частиц (за что и получил Нобелевскую премию в 1921 году), а также предложил на суд научной общественности пустячок под названием «теория относительности», благодаря которому вы, скорее всего, и знаете его имя.
Поначалу может показаться, что элементарные частицы — это своего рода платоновская абстракция. Они фундаментальны и невидимы. У них нет ни формы, ни размера, ни цвета — словом, никаких макроскопических качеств. Все частицы одного типа идентичны всем другим частицам того же типа и неотличимы от них. То есть кто видел один электрон, тот знает все об электронах — буквально.
Знать, что атомы существуют, — это не все равно, что знать, каковы их свойства, и даже фундаментальные это частицы или нет. (Пункт А. Нет). Чтобы отгадать эту загадку, обратимся к Эрнесту Резерфорду, который в 1911 году занимался тем, что пулялся альфа-частицами (это такое научно-фантастическое по духу название, а теперь-то мы знаем, что на самом деле альфа-частицы — это ядра гелия) в листок золотой фольги.
Нет необходимости распространяться о том, в какие тупики заходила физика, пока мы не обзавелись моделью, которой пользуемся сегодня (неплохой, но не совершенной), однако до Резерфорда никто не имел ни малейшего представления о структуре атома. Господствовала идея, что атом заполнен положительно заряженным «пудингом», нашпигованным «сливами» (электронами)[11].
Резерфордовское рассеяние
Вероятно, электроны вам уже знакомы. Эти элементарные частицы были открыты первыми — еще в 1897 году, когда Дж. Дж. Томсон (пренебрежительно) назвал их «тельцами». Кроме того, их удивительно легко раздобыть: стоит взять кусок металла, нагреть его, и они так и полетят в разные стороны! А если вам еще не разрешают самостоятельно зажигать плиту, наденьте шерстяные носки и прикоснитесь к чему-нибудь металлическому. Что, больно? Наука требует жертв (и электроны тоже)!
Если бы «модель сливового пудинга» оказалась верной, траектории альфа-частиц Резерфорда лишь слегка изменялись бы после вылета из пудинга. Между тем большинство альфа-частиц проходили сквозь фольгу как ни в чем не бывало, однако некоторые из них отлетали обратно, как будто налетали на что-то твердое. Вот как писал об этом сам Резерфорд:
Со мной никогда в жизни не происходило событий столь невероятных. Так же невероятно было бы, если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в папиросную бумагу, а он отскочил бы в вас обратно!
Большинство альфа-частиц проходили сквозь фольгу. Лишь очень редко случалось так, что частица налетала на ядро золота. Иначе говоря, колоссальное большинство массы атома было сосредоточено в крошечной доле общего объема. Сливы налицо, а пудинга нет.
Наверное, вы думаете, что ваша рука плотная и набита веществом, однако по большей части она состоит из пустоты. Нужно увеличить изображение в 100 000 раз по сравнению с размером самого атома (до 10–15 метра) — и лишь тогда мы увидим ядра атомов, и лишь тогда поймем, как пусто и никчемно наше существование.
Ядро составляет около 99,95 % массы атома, однако занимает всего лишь примерно одну квадрильонную общего объема. Это как будто скромное офисное здание по сравнению со всем земным шаром. Вероятность попадания альфа-частицы в ядро в эксперименте Резерфорда примерно эквивалентна вероятности случайного попадания метеорита в Белый дом[12]. Большинство угодит мимо цели.
А мы можем еще сильнее углубиться в недра ядра — и там мы обнаружим протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтральные, что явствует из названия). Количество протонов определяет, о каком именно химическом элементе идет речь. У водорода один протон, у гелия — два, у лития — три и т. д. Если вы забыли, который элемент какой, посмотрите в волшебную таблицу Менделеева. Нейтроны, со своей стороны, не влияют на химическую бухгалтерию — разные их количества обозначают лишь разные изотопы одного и того же элемента.
К тому же мы до сих пор пополняем свой арсенал новыми элементами. В 2006 году российские и американские ученые совместно открыли 118‑й элемент унуноктий. Когда я говорю «открыли», то имею в виду, что они создали его в лаборатории, что в данном случае означает со всего размаху столкнуть кальций с калифорнием (который тоже сначала нужно сделать в лаборатории). В результате получилось всего три атома, и просуществовали они ничтожную долю мгновения. Беда в том, что массивные ядра вроде унинокция (почти в 300 раз тяжелее обычного водорода) обычно бывают крайне нестабильны. Они стремятся как можно скорее распасться на более легкие частицы. Унуноктий живет всего лишь около миллисекунды, а следовательно, едва ли удастся обнаружить его залежи.
Радиоактивный распад — всего лишь привычный факт в жизни субатомного мира, и эти слова, вероятно, приводят на ум малоприятные вещества вроде плутония и урана. А чтобы понять, почему эти элементы такие неприятные, мы оторвемся от микроскопа и сделаем краткое отступление в сторону самых знаменитых физических формул.
Как сделать что-то из ничего?
Даже если вы терпеть не могли школьные уроки физики, даже если у вас от математики по всему телу идут волдыри, я готов спорить, что эту формулу вы уже знаете — хотя бы понаслышке:
E = mc²Помните Чудесный год Эйнштейна — 1905 год? Это уравнение — жемчужина его специальной теории относительности, формула, лежащая в основе атомной энергетики и определяющая жизнь нашего Солнца. А также поведение вещества, из которого вы состоите.
