Страница:
Согласно теории Эйнштейна, гравитация способна «искривлять» время и пространство. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы. На плоскости, например, мы можем нарисовать квадрат следующим образом: отмерить один метр на прямой линии, отложить прямой угол и снова отмерить один метр, затем отложить еще один прямой угол и снова отмерить метр, наконец, в третий раз отложить прямой угол и, вернувшись в исходную точку, получить квадрат. Однако на поверхности шара эти правила не подействуют. Точно таким же образом евклидова геометрия бесполезна в искривленном трехмерном пространстве. Далее, теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство действительно искривлено под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.
Пространство вокруг таких тел — планет, звезд и т. д. — искривлено, и степень искривления зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения в пространстве и времени; сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, и понятие «пустого пространства» также теряет смысл.
Классическая физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня остается уместным, но лишь по отношению к так называемой «зоне средних измерений», то есть в области нашего обыденного опыта, когда классическая физика остается полезной теорией. Оба представления — о пустом пространстве и о твердых материальных телах, — настолько укоренились в нашем мышлении, что нам очень трудно представить себе некую физическую реальность, где бы эти представления не были бы применимы. И все же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас сделать это. Выражение «пустое пространство» утратило смысл в астрофизике и космологии — науках о Вселенной в целом, а понятие твердого тела было поставлено под сомнение атомной физикой — наукой о бесконечно малом.
В начале века было открыто несколько явлений атомной действительности, необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей — нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. Однако рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны и другие виды излучений, испускаемых атомами так называемых «радиоактивных элементов». Явление радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.
Эти явления не только активно изучались, но и использовались для еще более глубокого проникновения в тайны природы. Так, Макс фон Лауэ при помощи рентгеновских лучей исследовал атомную структуру кристалла, а Эрнест Резерфорд обнаружил, что так называемые альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения атома. Он подвергал атом обстрелу альфа-частицами, определяя по их траекториям после столкновения, как устроен атом.
В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы — электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны были прикованы к ядрам электрическими силами. Непросто представить себе микроскопические размеры атомов, настолько далеки они от наших обычных представлений. Диаметр атома — примерно одна миллионная сантиметра. Представим себе апельсин, увеличенный до размеров земного шара. В таком случае атомы этого апельсина увеличились до размеров вишен. Мириады тесно соприкасающихся вишен, составляющие шар размером с Землю — таковы атомы, из которых состоит апельсин. Таким образом, атом во много раз меньше любого известного нам предмета, но во много раз больше ядра, находящегося в центре атома. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Для того, чтобы увидеть ядро, нам нужно было бы увеличить атом до размеров самого большого купола в мире — купола собора святого Петра в Риме. В атоме такого размера ядро было бы величиной с песчинку. Крупица песка в центре купола святого Петра и пылинки, вихрем носящиеся вокруг нее в огромном пространстве купола — такими увидели бы мы ядро и электроны.
Вскоре после появления этой «планетарной» модели атома было обнаружено, что от количества электронов зависят химические свойства элемента, а сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома — гидрогена, состоящего из одного протона и одного электрона — атома водорода, а также соответствующее число электронов к «оболочке» атома. Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, так что вся химия ныне может быть, в принципе, понята на основе законов атомной физики.
Эти законы не так-то легко было открыть. Они были сформулированы лишь в двадцатые годы нашего века благодаря усилиям физиков разных стран: датчанина Нильса Бора, француза Луи де Бройля, австрийцев Эрвина Шредингера и Вольфганга Паули и англичанина Поля Дирака. Эти люди первыми соприкоснулись с неведомой необычной реальностью мира атома. Результаты всех экспериментов были парадоксальны и непонятны, и все попытки выяснить, в чем тут дело, оборачивались неудачей. Не сразу физики пришли к выводу о том, что парадоксы обусловлены тем, что они пытаются описывать явления атомной действительности в терминах классической физики. Однако, убедившись в этом, они стали по-другому воспринимать экспериментальные данные, что позволило им избегнуть противоречий. По словам Гейзенберга, «они каким-то образом прониклись духом квантовой теории», и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде.
Однако даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая теория, остались очень непривычными. Ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не являются цельными и неделимыми, что шло совершенно вразрез с положениями классической физики. Частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.
Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей — единицей чрезвычайно малого объема — и волной, способной перемещаться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех напоминающих КОАНЫ парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Все началось с открытия Макса Планка, свидетельствовавшего о том, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек. Эйнштейн назвал их «квантами» и увидел в них фундаментальный аспект природы. Он был достаточно смел, чтобы утверждать, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме электромагнитных волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как подлинные частицы и называются фотонами. Это частицы особой разновидности, лишенные массы и всегда движущиеся со скоростью света.
Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения — понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить». Язык формальной математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут в то же время быть волнами. Это не «настоящие» трехмерные волны, как, например, волны на поверхности воды. Это «вероятностные волны» — абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.
Таким образом, квантовая теория доказывает ложность классических представлений о твердых телах и о строгом детерминизме природных законов. На субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики наличествуют волноподобные вероятностные модели, которые, к тому же отражают вероятность существования не вещей, а, скорее, взаимосвязей. Тщательный анализ процесса наблюдения в атомной физике показал, что субатомные частицы существуют не в виде самостоятельных единиц, но в качестве промежуточного звена между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Так, квантовая теория свидетельствует о фундаментальной цельности мироздания, обнаруживая, что мы не можем разложить мир на отдельные «строительные кирпичики». Проникая в глубины вещества, мы видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений между различными частями единого целого. В этих взаимоотношениях непременно фигурирует наблюдатель. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и следует воспринимать свойства любого объекта атомной действительности, обязательно учитывая взаимодействие последнего с наблюдателем. Это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в небытие. Имея дело с атомной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить информацию о природе таким образом, чтобы остаться при этом в тени.
Новая теория строения атома сразу же смогла решить несколько загадок строения атома, перед которыми оказалась бессильной планетарная теория Резерфорда, стало известно, что атомы, образующие твердую материю, состоят из почти пустого пространства, если рассматривать с точки зрения их распределения массы. Но если все вокруг нас, да и мы сами, состоит из пустоты, то почему мы не можем проходить сквозь запретные двери? Другими словами, что придает веществу твердость?
Вторая загадка — невероятная механическая стабильность атомов. Например, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. Однако сочетание электронов атома кислорода всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа, а следовательно, и два железных бруска, абсолютно идентичны, несмотря на то, где они находились и как с ними обращались до этого.
Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов. Для начала скажем, что твердость материи — результат типичного «квантового эффекта», обусловленного двойственной природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. Когда частица находится в ограниченном объеме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Следовательно, в атоме действуют две противоположные силы, С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, увеличивая свою скорость, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может быть равна шестистам милям в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, так же как вращающийся пропеллер выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам твердой.
Таким образом, электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Тем не менее, орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам. Производя измерения, мы обнаруживаем электроны в какой-либо точке орбиты, но не можем сказать, что они «вращаются вокруг ядра» в понимании классической механики.
На орбитах эти электронные волны формируют замкнутые паттерны так называемых «стоячих волн». Эти паттерны возникают всегда, когда волны ограничены в некотором конечном пространстве, как, например, упругие колебания гитарной струны или воздушные колебания внутри флейты (см. рис. 6). Известно, что стоячие волны могут иметь ограниченное количество очертаний. В случае с электронами внутри атома это означает, что они могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется «стационарным состоянием» атома. Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в «возбужденном состоянии», из которого может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в силе фотона, или кванта электромагнитного излучения. Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому два атома — скажем, кислорода, — абсолютно идентичны. Приходя в возбужденное состояние — например, сталкиваясь в воздухе с другими атомами, в итоге все они неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Так, волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.
Состояния атома могут быть описаны при помощи ряда целых чисел, получивших название «квантовых чисел» и обозначающих местонахождение и форму электронных орбит. Первое квантовое число — это номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чгобы находиться на ней; два других числа определяют точную форму электронной волны на орбите, а также скорость и направление вращения электрона, причем не следует понимать «вращение» электрона в классическом механистическом смысле: оно определяется формой электронной волны в терминах вероятности существования частицы в определенных точках орбиты. Поскольку эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что количество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно — от одной фиксированной величины к другой. Большие значения квантовых чисел соответствуют возбужденным состояниям атома, в то время как электроны атома, находящегося в стационарном состоянии, расположены как можно ближе к ядру и имеют минимально возможное количество вращения.
Вероятности существования, частицы, которые в ответ на их ограничение в пространстве увеличивают скорость движения, внезапные переключения атомов с одного «квантового состояния» на другое и глубокая взаимосвязанность всех явлений — вот некоторые черты необычной для нас атомной действительности. С другой стороны, основная сила, действующая в мире атомов, известна и в макроскопическом мире. Это сила притяжения, действующая между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами. Взаимодействие этой силы с электронными волнами порождает огромное количество разнообразных структур и явлений, которые окружают нас. Оно отвечает за все химические реакции и за образование молекул — соединений, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с жизнедеятельностью последних.
В этом, исключительно богатом, мире атомных явлений ядра исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур. Для понимания этих структур и вообще всех явлений природы все, что нам нужно знать о ядрах атомов — величина их заряда и их масса. Однако тот, кто хочет понимать природу материи и знать, из чего, в конечном счете, она состоит, должен исследовать ядро атома, заключающее в себе почти всю массу последнего. Поэтому в тридцатые годы нашего века, после того, как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра.
Первым важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента (первым является протон) — нейтрона: частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Это открытие обнаружило тот факт, что ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, и что сила, связывающая частицы внутри ядра — совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними — новая сила природы, не существующая вне ядра.
Ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома, и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало бы плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Однако такая высокая плотность — не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, «нуклоны», как часто называют нейтроны, реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, их скорость очень высока — около сорока тысяч миль в секунду. Таким образом, ядерное вещество — одна из форм материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующую в нашем макроскопическом окружении. Ядерное вещество можно сравнить с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают.
Радикальное своеобразие ядерного вещества, определяющее его необычные свойства — мощность ядерной силы, действующей только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нуклона. На таком расстоянии ядерная сила притягивает; при его сокращении она становится явно отталкивающей и препятствует дальнейшему сближению нуклонов. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие.
Согласно результатам этих исследований, большая часть вещества сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями. В обширном пространстве между тяжелыми, бурно кипящими каплями ядер движутся электроны, которые составляют очень большой процент от общей массы, но придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.
Однако эта форма материи, обладающая многообразием очертаний, структур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать лишь при том условии, что температура не очень высока, и колебательные движения молекул не очень сильны. Все атомные и молекулярные структуры разрушаются при увеличении термической энергии примерно в сто раз, что, например, имеет место внутри большинства звезд. Получается, что состояние большей части материи во Вселенной отличается от описанного выше. В центре находятся большие скопления ядерного вещества; там преобладают ядерные процессы, столь редкие на Земле. Эти процессы являются причиной разнообразных звездных явлений, наблюдаемых астрономией, большая часть которых вызвана ядерными и гравитационными эффектами. Для нашей планеты особенно важны ядерные процессы в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство. Современная физика одержала триумфальную победу, обнаружив, что постоянный поток солнечной энергии — результат ядерных реакции.
В процессе изучения субмикроскопического мира в начале тридцатых годов нашего столетия наступил этап, принесший уверенность в том, что «строительные кирпичики» материи наконец открыты. Тогда уже стало известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы — из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые «элементарные» частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита. Хотя из квантовой теории следует, что нельзя разложить мир на отдельные мельчайшие составляющие, в то время это обстоятельство не было осознано всеми. О значительном авторитете классической механики говорит тот факт, что в те годы большинство физиков придерживалось мнения, что материя состоит из «строительных кирпичиков», и даже сейчас эта точка зрения находит достаточно сторонников.
Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Первое из них носило экспериментальный характер, второе — теоретический, и оба были сделаны в тридцатые годы. Что касается экспериментальной стороны, то усовершенствование техники проведения эксперимента и разработка новых приборов детекции частиц помогли открыть новые их разновидности. Так, к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 — восемнадцать, а к настоящему времени их известно более двухсот. В такой ситуации слово «элементарный» вряд ли применимо. По мере увеличения количества известных частиц росла уверенность в том, что не все из них могут так называться, а сегодня многие физики считают, что этого названия не заслуживает ни одна из них.
Эта точка зрения подкрепляется теоретическими исследованиями, проводившимися одновременно с экспериментальным изучением частиц. Вскоре после выдвижения квантовой теории стало очевидно, что она не является всеобъемлющей теорией для описания ядерных явлений, и должна быть дополнена теорией относительности. Дело в том, что частицы, ограниченные в пределах ядра, часто движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это очень важно, так как описание любого природного явления, в котором действуют скорости, близкие к световой, должно учитывать теорию относительности и быть, как говорят физики, «релятивистским». Поэтому для точного понимания мира ядра нам нужна теория, объединяющая теорию относительности и квантовую теорию. Такая теория еще не выдвигалась, и поэтому попытки полного описания ядра были обречены на неудачу. Хотя мы немало знаем о строении ядра и о взаимодействиях ядерных частиц, мы не располагаем фундаментальным пониманием природы ядерных сил и сложной формы, в которой они проявляются. Не существует и всеобъемлющей теории ядерной частицы, сопоставимой с описанием атома в квантовой теории. Существует несколько «квантово-релятивистских» моделей, вполне удовлетворительно отражающих отдельные аспекты мира частиц, но слияние квантовой теории и теории относительности и создание общей теории частиц остается основной из пока нерешенных задач, стоящих перед современной физикой.
Теория относительности оказала сильное воздействие на наши представления о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией — с неким «материалом», из которого, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции. являясь одной из форм энергии. Однако энергия — это динамическая величина, связанная с деятельностью или процессами. Тот факт, что масса частицы может быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы некой частицы.
Классическая физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня остается уместным, но лишь по отношению к так называемой «зоне средних измерений», то есть в области нашего обыденного опыта, когда классическая физика остается полезной теорией. Оба представления — о пустом пространстве и о твердых материальных телах, — настолько укоренились в нашем мышлении, что нам очень трудно представить себе некую физическую реальность, где бы эти представления не были бы применимы. И все же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас сделать это. Выражение «пустое пространство» утратило смысл в астрофизике и космологии — науках о Вселенной в целом, а понятие твердого тела было поставлено под сомнение атомной физикой — наукой о бесконечно малом.
В начале века было открыто несколько явлений атомной действительности, необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей — нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. Однако рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны и другие виды излучений, испускаемых атомами так называемых «радиоактивных элементов». Явление радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.
Эти явления не только активно изучались, но и использовались для еще более глубокого проникновения в тайны природы. Так, Макс фон Лауэ при помощи рентгеновских лучей исследовал атомную структуру кристалла, а Эрнест Резерфорд обнаружил, что так называемые альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения атома. Он подвергал атом обстрелу альфа-частицами, определяя по их траекториям после столкновения, как устроен атом.
В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы — электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны были прикованы к ядрам электрическими силами. Непросто представить себе микроскопические размеры атомов, настолько далеки они от наших обычных представлений. Диаметр атома — примерно одна миллионная сантиметра. Представим себе апельсин, увеличенный до размеров земного шара. В таком случае атомы этого апельсина увеличились до размеров вишен. Мириады тесно соприкасающихся вишен, составляющие шар размером с Землю — таковы атомы, из которых состоит апельсин. Таким образом, атом во много раз меньше любого известного нам предмета, но во много раз больше ядра, находящегося в центре атома. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Для того, чтобы увидеть ядро, нам нужно было бы увеличить атом до размеров самого большого купола в мире — купола собора святого Петра в Риме. В атоме такого размера ядро было бы величиной с песчинку. Крупица песка в центре купола святого Петра и пылинки, вихрем носящиеся вокруг нее в огромном пространстве купола — такими увидели бы мы ядро и электроны.
Вскоре после появления этой «планетарной» модели атома было обнаружено, что от количества электронов зависят химические свойства элемента, а сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома — гидрогена, состоящего из одного протона и одного электрона — атома водорода, а также соответствующее число электронов к «оболочке» атома. Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, так что вся химия ныне может быть, в принципе, понята на основе законов атомной физики.
Эти законы не так-то легко было открыть. Они были сформулированы лишь в двадцатые годы нашего века благодаря усилиям физиков разных стран: датчанина Нильса Бора, француза Луи де Бройля, австрийцев Эрвина Шредингера и Вольфганга Паули и англичанина Поля Дирака. Эти люди первыми соприкоснулись с неведомой необычной реальностью мира атома. Результаты всех экспериментов были парадоксальны и непонятны, и все попытки выяснить, в чем тут дело, оборачивались неудачей. Не сразу физики пришли к выводу о том, что парадоксы обусловлены тем, что они пытаются описывать явления атомной действительности в терминах классической физики. Однако, убедившись в этом, они стали по-другому воспринимать экспериментальные данные, что позволило им избегнуть противоречий. По словам Гейзенберга, «они каким-то образом прониклись духом квантовой теории», и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде.
Однако даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая теория, остались очень непривычными. Ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не являются цельными и неделимыми, что шло совершенно вразрез с положениями классической физики. Частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.
Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения — понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить». Язык формальной математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут в то же время быть волнами. Это не «настоящие» трехмерные волны, как, например, волны на поверхности воды. Это «вероятностные волны» — абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.
Таким образом, квантовая теория доказывает ложность классических представлений о твердых телах и о строгом детерминизме природных законов. На субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики наличествуют волноподобные вероятностные модели, которые, к тому же отражают вероятность существования не вещей, а, скорее, взаимосвязей. Тщательный анализ процесса наблюдения в атомной физике показал, что субатомные частицы существуют не в виде самостоятельных единиц, но в качестве промежуточного звена между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Так, квантовая теория свидетельствует о фундаментальной цельности мироздания, обнаруживая, что мы не можем разложить мир на отдельные «строительные кирпичики». Проникая в глубины вещества, мы видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений между различными частями единого целого. В этих взаимоотношениях непременно фигурирует наблюдатель. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и следует воспринимать свойства любого объекта атомной действительности, обязательно учитывая взаимодействие последнего с наблюдателем. Это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в небытие. Имея дело с атомной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить информацию о природе таким образом, чтобы остаться при этом в тени.
Новая теория строения атома сразу же смогла решить несколько загадок строения атома, перед которыми оказалась бессильной планетарная теория Резерфорда, стало известно, что атомы, образующие твердую материю, состоят из почти пустого пространства, если рассматривать с точки зрения их распределения массы. Но если все вокруг нас, да и мы сами, состоит из пустоты, то почему мы не можем проходить сквозь запретные двери? Другими словами, что придает веществу твердость?
Вторая загадка — невероятная механическая стабильность атомов. Например, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. Однако сочетание электронов атома кислорода всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа, а следовательно, и два железных бруска, абсолютно идентичны, несмотря на то, где они находились и как с ними обращались до этого.
Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов. Для начала скажем, что твердость материи — результат типичного «квантового эффекта», обусловленного двойственной природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. Когда частица находится в ограниченном объеме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Следовательно, в атоме действуют две противоположные силы, С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, увеличивая свою скорость, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может быть равна шестистам милям в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, так же как вращающийся пропеллер выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам твердой.
Таким образом, электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Тем не менее, орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам. Производя измерения, мы обнаруживаем электроны в какой-либо точке орбиты, но не можем сказать, что они «вращаются вокруг ядра» в понимании классической механики.
Состояния атома могут быть описаны при помощи ряда целых чисел, получивших название «квантовых чисел» и обозначающих местонахождение и форму электронных орбит. Первое квантовое число — это номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чгобы находиться на ней; два других числа определяют точную форму электронной волны на орбите, а также скорость и направление вращения электрона, причем не следует понимать «вращение» электрона в классическом механистическом смысле: оно определяется формой электронной волны в терминах вероятности существования частицы в определенных точках орбиты. Поскольку эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что количество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно — от одной фиксированной величины к другой. Большие значения квантовых чисел соответствуют возбужденным состояниям атома, в то время как электроны атома, находящегося в стационарном состоянии, расположены как можно ближе к ядру и имеют минимально возможное количество вращения.
Вероятности существования, частицы, которые в ответ на их ограничение в пространстве увеличивают скорость движения, внезапные переключения атомов с одного «квантового состояния» на другое и глубокая взаимосвязанность всех явлений — вот некоторые черты необычной для нас атомной действительности. С другой стороны, основная сила, действующая в мире атомов, известна и в макроскопическом мире. Это сила притяжения, действующая между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами. Взаимодействие этой силы с электронными волнами порождает огромное количество разнообразных структур и явлений, которые окружают нас. Оно отвечает за все химические реакции и за образование молекул — соединений, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с жизнедеятельностью последних.
В этом, исключительно богатом, мире атомных явлений ядра исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур. Для понимания этих структур и вообще всех явлений природы все, что нам нужно знать о ядрах атомов — величина их заряда и их масса. Однако тот, кто хочет понимать природу материи и знать, из чего, в конечном счете, она состоит, должен исследовать ядро атома, заключающее в себе почти всю массу последнего. Поэтому в тридцатые годы нашего века, после того, как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра.
Первым важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента (первым является протон) — нейтрона: частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Это открытие обнаружило тот факт, что ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, и что сила, связывающая частицы внутри ядра — совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними — новая сила природы, не существующая вне ядра.
Ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома, и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало бы плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Однако такая высокая плотность — не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, «нуклоны», как часто называют нейтроны, реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, их скорость очень высока — около сорока тысяч миль в секунду. Таким образом, ядерное вещество — одна из форм материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующую в нашем макроскопическом окружении. Ядерное вещество можно сравнить с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают.
Радикальное своеобразие ядерного вещества, определяющее его необычные свойства — мощность ядерной силы, действующей только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нуклона. На таком расстоянии ядерная сила притягивает; при его сокращении она становится явно отталкивающей и препятствует дальнейшему сближению нуклонов. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие.
Согласно результатам этих исследований, большая часть вещества сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями. В обширном пространстве между тяжелыми, бурно кипящими каплями ядер движутся электроны, которые составляют очень большой процент от общей массы, но придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.
Однако эта форма материи, обладающая многообразием очертаний, структур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать лишь при том условии, что температура не очень высока, и колебательные движения молекул не очень сильны. Все атомные и молекулярные структуры разрушаются при увеличении термической энергии примерно в сто раз, что, например, имеет место внутри большинства звезд. Получается, что состояние большей части материи во Вселенной отличается от описанного выше. В центре находятся большие скопления ядерного вещества; там преобладают ядерные процессы, столь редкие на Земле. Эти процессы являются причиной разнообразных звездных явлений, наблюдаемых астрономией, большая часть которых вызвана ядерными и гравитационными эффектами. Для нашей планеты особенно важны ядерные процессы в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство. Современная физика одержала триумфальную победу, обнаружив, что постоянный поток солнечной энергии — результат ядерных реакции.
В процессе изучения субмикроскопического мира в начале тридцатых годов нашего столетия наступил этап, принесший уверенность в том, что «строительные кирпичики» материи наконец открыты. Тогда уже стало известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы — из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые «элементарные» частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита. Хотя из квантовой теории следует, что нельзя разложить мир на отдельные мельчайшие составляющие, в то время это обстоятельство не было осознано всеми. О значительном авторитете классической механики говорит тот факт, что в те годы большинство физиков придерживалось мнения, что материя состоит из «строительных кирпичиков», и даже сейчас эта точка зрения находит достаточно сторонников.
Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Первое из них носило экспериментальный характер, второе — теоретический, и оба были сделаны в тридцатые годы. Что касается экспериментальной стороны, то усовершенствование техники проведения эксперимента и разработка новых приборов детекции частиц помогли открыть новые их разновидности. Так, к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 — восемнадцать, а к настоящему времени их известно более двухсот. В такой ситуации слово «элементарный» вряд ли применимо. По мере увеличения количества известных частиц росла уверенность в том, что не все из них могут так называться, а сегодня многие физики считают, что этого названия не заслуживает ни одна из них.
Эта точка зрения подкрепляется теоретическими исследованиями, проводившимися одновременно с экспериментальным изучением частиц. Вскоре после выдвижения квантовой теории стало очевидно, что она не является всеобъемлющей теорией для описания ядерных явлений, и должна быть дополнена теорией относительности. Дело в том, что частицы, ограниченные в пределах ядра, часто движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это очень важно, так как описание любого природного явления, в котором действуют скорости, близкие к световой, должно учитывать теорию относительности и быть, как говорят физики, «релятивистским». Поэтому для точного понимания мира ядра нам нужна теория, объединяющая теорию относительности и квантовую теорию. Такая теория еще не выдвигалась, и поэтому попытки полного описания ядра были обречены на неудачу. Хотя мы немало знаем о строении ядра и о взаимодействиях ядерных частиц, мы не располагаем фундаментальным пониманием природы ядерных сил и сложной формы, в которой они проявляются. Не существует и всеобъемлющей теории ядерной частицы, сопоставимой с описанием атома в квантовой теории. Существует несколько «квантово-релятивистских» моделей, вполне удовлетворительно отражающих отдельные аспекты мира частиц, но слияние квантовой теории и теории относительности и создание общей теории частиц остается основной из пока нерешенных задач, стоящих перед современной физикой.
Теория относительности оказала сильное воздействие на наши представления о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией — с неким «материалом», из которого, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции. являясь одной из форм энергии. Однако энергия — это динамическая величина, связанная с деятельностью или процессами. Тот факт, что масса частицы может быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы некой частицы.