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

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.

17. Albert Einstein, “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt” [ «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света»] Annalen der Physik 17, no. 6 (1905): 132–148. Эта статья, в которой объясняется, как свет высвобождает электроны из атомов, стала первой из четырех статей Эйнштейна, созданных в 1905 году, его annus mirabilis, и именно за нее он был удостоен Нобелевской премии в 1921 году.

Глава 3. Атом: утилитарный взгляд

1. Есть и четвертое состояние материи, которое, по сути, составляет большую часть Вселенной, но очень редко встречается на Земле: плазма. Она обнаруживается только там, где температура превышает примерно 10 000 °C. Плазма состоит из вещества, в котором электроны оторваны от материнских атомов.

2. Если не верите, возьмите крышку банки размером с чашку кофе и попытайтесь сжать жидкость так, чтобы она занимала меньше места, – но подождите, пока кофе остынет, чтобы не получить ожогов первой степени.

3. Частицы воздуха в вашей комнате движутся удивительно быстро. Связь между температурой и скоростью равна v_(макс) = 145 м/с sqrt {T[K]/м[а. е. м]}, где v_(макс) – скорость частиц на пике распределения (распространенная скорость), T – температура (в Кельвинах – пояснения в тексте, m – масса частицы в атомных единицах массы (см. гл. 4). Таким образом, частицы воздуха в помещении при температуре 20 °C движутся почти со скоростью, равной половине километра в секунду (1800 км/ч).

4. Температура кипения воды зависит прежде всего от скорости ее частиц (т. е. ее температуры), а также от внешнего давления, испытываемого ею со стороны воздуха. Молекулам воды требуется меньше энергии, чтобы вырваться из жидкости, когда меньше частиц воздуха возвращают их в жидкое состояние. Поэтому температура, при которой закипает вода, снижается примерно на 0,5 °C на каждые 150 метров высоты; в Денвере, «городе на высоте мили», вода кипит при 95 °C.

5. Если предположить, что температура воды в ванне выше, чем у окружающего воздуха, то каждый раз, когда частица воздуха сталкивается с частицей воды, она получает удар и уносит некоторую дополнительную энергию. Поэтому воздух становится немного теплее, а вода в ванне – немного прохладнее. Так продолжается до тех пор, пока они не достигнут равновесия, при котором каждое столкновение воздуха и воды с одинаковой вероятностью будет и передавать энергию воде, и забирать ее у воды – вода становится «комнатной температуры».

6. Атмосфера состоит из частиц, обладающих массой, и все, что имеет массу, подвергается воздействию гравитации; таким образом, атмосфера действительно падает. Однако, как описано выше, в примечании 3, частицы воздуха движутся быстро – в среднем со скоростью примерно 500 метров в секунду, причем самые быстрые из них в пять или десять раз быстрее. Поэтому они могут достигать больших высот, прежде чем замедлиться, остановиться и упасть обратно к Земле. Вот почему на большой высоте труднее дышать: туда поднимаются только самые быстрые частицы, и частиц Кислорода, которыми можно дышать, меньше.

7. Велосипедный насос нагревается, потому что вы ускоряете частицы воздуха в нем, а чем выше скорость, тем выше температура, о чем я не устаю напоминать.

8. Кондиционер охлаждает комнату, приводя быстро движущиеся (горячие) частицы воздуха в контакт с медленно движущимися частицами охлаждающей жидкости. Частицы воздуха при взаимодействии теряют часть своей энергии, и тем самым в помещении становится прохладнее.

9. Скорее всего, из школьного курса вы узнали, что в природе существует девяносто два элемента. В этой книге я говорю о девяноста четырех, поскольку и Нептуний (номер 93), и Плутоний (номер 94) встречаются в следовых количествах в горных породах. Однако на самом деле это число в какой-то мере условно. Всего восемьдесят элементов (см. гл. 4) имеют хотя бы один стабильный изотоп (см. гл. 5); остальные двенадцать или четырнадцать (или даже восемнадцать, потому что элементы с 94-го по 98-й тоже пусть и в мимолетных количествах, но встречаются на Земле) представляют собой продукты радиоактивного распада (глава 6). Кроме того, по всей видимости, и они, и еще более тяжелые элементы образуются в ходе интенсивных событий – взрывов сверхновых и слияний нейтронных звезд (глава 16), – в которых создаются все тяжелые элементы, правда, их жизнь настолько коротка, что в земной коре их нет. И все же их можно назвать «природными».

10. Даже это число, тридцать один, в каком-то плане условно. Например, как отмечено в тексте, кварки обладают дополнительным свойством «цветового заряда», у которого три разновидности и которое, если считать по отдельности, превратило бы двенадцать кварков в тридцать шесть. По-прежнему не решен вопрос, не являются ли нейтрино своими собственными античастицами (что сократило бы мой подсчет на три). Впрочем, главное в том, что в современной стандартной модели физики частиц невероятно много предположительно «фундаментальных» частиц.

11. Теория струн – изящное математическое построение, в котором воображается десяти- или одиннадцатимерное пространство, где сущности, предстающие в нашем четырехмерном пространстве-времени как частицы, оказываются проявлениями различных форм колебаний крошечных «струн». Поскольку эта математика еще не сделала опровергаемых предсказаний о материальном мире, вопрос о том, следует ли называть ее наукой, остается спорным; пылких защитников много и с той и с другой стороны.

12. Размеры ядер варьируются от единственного протона ядра Водорода с радиусом 1,7 × 10^–15 м до Урана, у которого 238 протонов и нейтронов втиснуты в пространство менее чем в семь раз больше: 11,7 × 10^–15 м.

13. Изначально слово «элемент» обозначало один из четырех многогранников, олицетворяющих землю, воздух, огонь и воду, из которых, как считалось, состояло все остальное.

Глава 4. Элементы: наш набор «кирпичиков»

1. Само слово «элементы» (stoicheia) впервые упоминается в трактате Платона «Тимей» (ок. 360 г. до н. э.), где разделяются воззрения Эмпедокла, возникшие столетием ранее. Аристотель также использовал этот термин и дал ему определение.

2. J. R. Partington, A Short History of Chemistry (New York: Dover, 1937). Наполненный Водородом дирижабль с пассажирской кабиной, расположенной внизу, попытался приземлиться в Лейкхерсте, штат Нью-Джерси, после трансатлантического перелета из Германии и загорелся. В бедствии погибли тринадцать пассажиров, двадцать два члена экипажа и один человек из наземной команды.

3. Это так называемые благородные газы, неспособные вступать в связь с другими элементами (и даже, в отличие от людей-аристократов, между собой), поскольку их внешние электронные оболочки заполнены.

4. Октава – интервал, в котором соотношение частот между двумя звуками различной высоты составляет один к двум. Например, «ля» выше среднего «до» – это вибрация с частотой 440 колебаний в секунду, тогда как «ля» ниже среднего «до», на одну октаву ниже – это вибрация с частотой 220 циклов в секунду. Скорость вибрации струны определяется ее длиной, толщиной и натяжением, но при фиксированном натяжении и толщине удвоение длины производит звук ровно на октаву ниже исходной ноты.