Брайан Клегг - Вселенная внутри вас
Электроны, создающее это облако, могут существовать только при определенном уровне энергии. Можно представить себе, что они передвигаются по заданным рельсовым путям. Если придать им дополнительный импульс энергии, они перескакивают на другой путь. Но этот импульс должен иметь строго определенную величину, так как электрон не может находиться где-то посредине между путями. Такие фиксированные импульсы энергии называются квантами. От этого слова и произошло название «квантовая теория».
Правда, термин «квантовый переход» («квантовый скачок») в нашей повседневной речи приобрел в последнее время какой-то странный смысл. В физике под ним понимается переход в новое состояние, для которого требуется минимально возможное количество энергии. Поэтому странно слышать, когда квантовым скачком называют какие-то грандиозные преобразования.
Обычно энергию, необходимую для перехода электрона на более высокий уровень, дает свет. Свет несет энергию (и это замечательно, потому что именно так энергия Солнца доходит до нас через безвоздушное пространство космоса). А когда электрон опускается на более низкий уровень, он сам излучает свет. Поскольку электрон может находиться только на одном из предназначенных для него энергетических уровней, эта энергия передается строго определенными порциями – квантами. Свет тоже состоит из определенных порций – частиц, называемых фотонами.
Очарование кварков
Тело человека состоит из молекул, а молекулы – из атомов, каждый из которых содержит протоны, нейтроны и электроны. Однако теперь мы знаем, что прежние представления о протонах и электронах как фундаментальных единицах атома тоже неверны. Протоны и нейтроны состоят из действительно фундаментальных частиц, которые называются кварками. Существует несколько типов кварков, которые отличаются друг от друга ароматом (я не шучу). Выделяют такие ароматы, как очарованный, странный, верхний и нижний, но нас в первую очередь будут интересовать верхний и нижний. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего.
От этой разницы зависит электрический потенциал протона и нейтрона, так как заряд нижнего кварка составляет ‑1/3, а верхнего – +2/3. В результате положительный электрический заряд протона равен 1, а нейтрон электрически нейтрален. Конечно, неправильно, что заряд частицы представляет собой дробную величину. На самом деле заряд кварка вовсе не 1/3 и не 2/3. Эти величины следует понимать как исходные единицы электрических зарядов. Однако поскольку протоны и электроны были известны еще до открытия кварков и им присвоили заряды, равные единице, нам приходится соглашаться на то, что заряды могут быть и дробными.
Название «кварк» было введено в научный оборот американским физиком М. Гелл-Маном. Первоначально он произносил его как «кворк», но как-то раз наткнулся на одну строку из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мистера Марка!» То, что кварков было именно три, показалось Гелл-Ману символичным, и он стал произносить это слово по-новому.
Запутанная стандартная модель
Дойдя до кварков, мы наконец действительно достигли предела неделимости. Именно из этих фундаментальных частиц состоит тело человека и вся Вселенная.
Физики создали так называемую стандартную модель, которая описывает весь мир, основываясь примерно на девятнадцати различных элементарных частицах. Двенадцать из них – это частицы, составляющие материю. Это кварки, электроны, а также еще несколько загадочных частиц, которые образуются в ядерных реакциях и экспериментах на коллайдере. Еще пять частиц предназначены для передачи различных сил. Так, например, фотон, будучи частицей света, одновременно является носителем электромагнитных сил.
Строение атома. При соблюдении масштаба для показанного размера ядра весь атом был бы около десяти километров в поперечнике.
Выделяют еще пару частиц, которые, может быть, существуют, а может быть, и нет. Это гравитон, который, как предполагается, должен быть носителем гравитации, если она также передается в квантовой форме (что пока еще не находит полного теоретического подтверждения), и бозон Хиггса – главная цель экспериментов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Эта неуловимая частица предположительно придает массу всем остальным элементарным частицам.
Чтобы еще больше усложнить картину, добавим, что каждой частице соответствует античастица. Когда мы говорим об антиматерии, в памяти первым делом всплывает фантастический сериал «Звездный путь» (на антиматерии работали двигатели корабля «Энтерпрайз»). Тем не менее антиматерия так же реальна, как и материя, но обладает некоторыми противоположными свойствами, в частности электрическим зарядом. У каждой из двенадцати частиц материи есть эквивалентная частица антиматерии. Так, например, электрону соответствует антиэлектрон, более известный как позитрон, который имеет не отрицательный, а положительный заряд.
При соприкосновении материи и антиматерии они взаимно уничтожаются (аннигилируют), а их масса полностью трансформируется в энергию. Поскольку количество энергии в материи определяется знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc², где с означает скорость света (очень большую величину), то при аннигиляции выделяется колоссальная энергия. Килограмм антиматерии, аннигилируя с эквивалентным количеством материи, производит столько же энергии, сколько обычная электростанция может выработать на протяжении двенадцати лет. Правда, в зависимости от того, какой тип антиматерии участвует в этом процессе, могут также образовываться вторичные частицы (нейтрино), которые снижают количество энергии вдвое, но этого тоже немало. Антиматерия является самым компактным источником энергии. В ней содержится в тысячу раз больше энергии, чем в ядерном топливе.
Хотя эти элементарные частицы достаточно хорошо позволяют объяснить все процессы, происходящие в материальном мире, картина получается слишком сложной и запутанной. Поэтому ученые стремятся создать более простую модель для интерпретации основ реальности. Уже многие годы физики работают над различными альтернативными теориями, но ни одна из них пока не может быть признана удовлетворительной.
Твердое тело, жидкость или газ?
Теперь давайте отвлечемся от теоретических размышлений и, глядя на ваш волос, задумаемся об одной интересной проблеме. В школе вас учили, что все вещества могут находиться в одном из трех состояний – твердом, жидком или газообразном. Поскольку очевидно, что волос не жидкий и не газообразный, следовательно, он твердый. Однако его гибкость и пластичность как-то не очень согласуются с понятием твердости. Говоря о твердом веществе, мы представляем себе что-то прочное и стойкое. Можно привести еще один пример, не слишком согласующийся с этой упрощенной классификацией. Нет никаких сомнений в том, что песок состоит из твердых частиц, но он протекает сквозь пальцы, словно жидкость.
Лучше всего разбираться с агрегатными состояниями материи на примере одного из немногих веществ, которые известны нам и в твердом, и в жидком, и в газообразном состоянии. Это вода. Она позволит понять, в чем состоит разница между тремя состояниями материи. Как правило, при переходе из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное атомы отдаляются друг от друга и начинают двигаться быстрее. Все атомы и молекулы находятся в движении, но в твердом теле они колеблются в рамках жесткой структуры, благодаря электромагнитным связям между молекулами. В жидкости структура отсутствует. Определенная связь между молекулами сохраняется, но она уже не такая прочная. В газе молекулы движутся независимо друг от друга.
Казалось бы, этот процесс может происходить бесступенчато, и четких границ между состояниями вещества быть не должно, однако на деле они существуют. Конечно, отдельные молекулы воды, находящейся в жидком состоянии, постоянно переходят в газообразную форму (испарение), но для того, чтобы превратить всю воду в газ, необходимо нагреть ее до определенной температуры – точки кипения, а затем постоянно подогревать, чтобы окончательно разрушить все связи и высвободить молекулы.
Четвертое состояние материи
Наука, которую нам преподают в школе, похоже, находится где-то на уровне викторианской эпохи, когда были известны только три состояния вещества, однако на самом деле их пять. С четвертым состоянием вещества вы сталкиваетесь на каждом шагу. Оно даже более очевидно, чем газообразное, но поскольку школьное образование ограничено мировоззрением XIX века, даже многие взрослые не знают о его существовании, хотя много раз слышали это слово применительно к большим телевизионным экранам. Речь идет о плазме.
