Страница:
Дело в том, что скорость света в пустоте – величина абсолютная, это одна из фундаментальных констант. Еще более поразительно, что эта скорость отличается строгим постоянством. Из житейского опыта нам известно, что любое тело, двигающееся по инерции, раз затормозившись, не сможет набрать первоначальную скорость. Скажем, винтовочная пуля, пробив навылет дюймовую доску, полетит медленнее. А вот свет ведет себя совершенно иначе. Если поставить на пути светового луча стеклянную призму, скорость света уменьшится, потому что в стекле она меньше, чем в пустоте. Однако стоит только световому лучу вырваться на свободу, как его скорость вновь скачкообразно возрастет до 300 тысяч километров в секунду. В пустоте свет всегда распространяется с одной и той же скоростью, и повлиять на нее принципиально невозможно.
С другой стороны, все тела, имеющие ненулевую массу покоя, могут двигаться только со скоростями, меньшими, чем скорость света. И чем быстрее такое тело движется, тем больше возрастает его масса и тем медленнее идут установленные на нем часы. Теоретически можно разогнать элементарную частицу, например протон, до такой скорости, что его масса превысит массу всей нашей Галактики. Принять подобное утверждение нелегко, однако в действительности так оно и есть. Привычные представления о природе вещей оказываются несостоятельными при скоростях, приближающихся к скорости света.
И нельзя спрашивать, почему природа поступила именно так, а не иначе, подобный вопрос далеко не всегда корректен. Ровно с тем же успехом можно спросить, почему скорость света равняется 300 тысячам километров в секунду, а не другой величине – большей или меньшей. Можно поинтересоваться, для чего природе вообще понадобилось ограничивать скорость распространения сигнала некоей предельной величиной. Почему материальные тела не могут перемещаться со сколь угодно большой скоростью? Все это совершенно пустые вопросы, не имеющие права на существование. Почему, почему... Толочь воду в ступе можно до посинения. По кочану да по капусте! Так устроен мир, и переделать его никому еще не удавалось, что бы ни говорили по этому поводу ортодоксальные марксисты.
Закон сохранения энергии был сформулирован без малого 300 лет тому назад, но до сих пор ничего не известно о механизмах работы этого закона. Просто все процессы протекают так, что энергия сохраняется. Столь же нелепы рассуждения о том, что было, когда мира не было. Между прочим, это понимали еще древние. Блаженный Августин в свое время говаривал, что мир был сотворен не во времени, а вместе со временем, поэтому толковать о существовании чего бы то ни было до момента «ноль» не имеет никакого смысла. Что тут скажешь? Головастый был поп, и современные астрофизики подпишутся под каждым его словом.
К сожалению, есть вопросы, не имеющие права на постановку. Пока наука барахталась в пеленках и спрашивала природу о явлениях простых и привычных, ответы звучали вполне осмысленно. Масштаб человеческих притязаний был в ту пору сопоставим с его собственным масштабом. Однако законы природы меняются до неузнаваемости, когда силы, поля и расстояния выходят за пределы нашего повседневного опыта. Стоило нам спросить, чем является материя – частицей или волной, ответ оказался настолько неожиданным, что рассудок отказывался его принять. Мы настаивали на жесткой альтернативе, но с точки зрения природы вопрос в такой формулировке был лишен смысла. Следует раз и навсегда усвоить, что Вселенная создавалась не ради нас, мы только побочный продукт ее эволюции, а потому ответы, которые нам преподносит природа, не обязаны укладываться в любезные нашему сердцу схемы. Спрашивать тоже надо с умом.
У американского фантаста Роберта Шекли есть замечательный рассказ, называющийся просто и со вкусом – «Верный вопрос». Некая могущественная галактическая раса, давным-давно канувшая в небытие, построила уникальный агрегат, знающий все на свете. Он мог ответить на любой вопрос, если тот поставлен правильно. Слухом, как известно, земля полнится, и легионы энтузиастов бороздят космические просторы, не теряя надежды отыскать легендарный Ответчик. Некоторым это удается, и тогда те, кому улыбнулась удача, спешат задать мудрой машине вопрос о Самом Важном. Кто-то спрашивает о багрянце, кто-то – о законе восемнадцати, а кто-то – о жизни и смерти, как Пастернак у Сталина, потому что у каждого народа свои собственные представления о природе вещей. Однако все ходоки неизбежно терпят фиаско. К сожалению, Ответчик связан корректно поставленными вопросами, а такие вопросы требуют знаний, которыми спрашивающие не располагают. Задать толковый вопрос оказывается почти невыполнимой задачей. Землянам тоже не повезло.
Мир функционирует по универсальным законам, именуемым законами природы, и математика выступает в роли путеводителя по нечеловеческим областям мира. Интеллект, сформировавшийся в земной биологической нише, на каждом шагу пасует перед парадоксами, которые нельзя укусить, понюхать или взять в руку. Для того, кто провалился в черную дыру, пространство приобретает вид времени, поскольку он не сможет вернуться назад, подобно тому как невозможно двигаться вспять по оси времени, то есть в прошлое. Вообразить наглядно такую картину нелегко, однако математика, как нить Ариадны, позволяет проникнуть в такие закоулки мироздания, куда заказан путь простым смертным. Правда, некоторые ученые утверждают, что разбираются в подобных вещах столь же непринужденно, как различают на вкус соленое или кислое. На самом деле они немного лукавят: в действительности они понимают всего лишь соответствие теории и опытных результатов.
Физика с математикой – это узкая тропинка над пропастями, недоступными человеческому воображению. Человек так устроен, что жаждет окончательных истин, но в науке необходима сдержанность. Мир отказывается отвечать на вопросы о своей окончательной сущности, и мы теряемся, когда узнаем, что абсолютный вакуум вовсе не пуст, а энергия может быть отрицательной. Между прочим, именно в этом коренится видовое отличие между верой и знанием. Вера все знает наперед, у нее, как у ловкого шулера, всегда спрятана в рукаве козырная карта. А наука отчетливо сознает свое несовершенство. Математика может многое, но далеко не все.
К сожалению, и математика не всегда выручает, ибо нет никакой уверенности, что мир по своей природе математичен. Конечно, этот хитроумный код позволяет иногда получать ответы на правильно поставленные вопросы, но это еще не означает, что математические символы вскрывают суть вещей. Конечно же, мы не столь наивны, чтобы перечеркнуть математический подход в принципе, мы только подчеркиваем сугубо подсобную роль математики как познавательного орудия, помогающего достичь определенной цели. О тождественности объекта познания и инструмента познания речи здесь нет. Станислав Лем так написал об этом:
В его блистательном романе «Обмен разумов» есть небольшая глава, посвященная так называемому Искаженному Миру – зыбкой и причудливой изнанке скучной реальности. Позволим себе несколько цитат.
Кирпичи мироздания
С другой стороны, все тела, имеющие ненулевую массу покоя, могут двигаться только со скоростями, меньшими, чем скорость света. И чем быстрее такое тело движется, тем больше возрастает его масса и тем медленнее идут установленные на нем часы. Теоретически можно разогнать элементарную частицу, например протон, до такой скорости, что его масса превысит массу всей нашей Галактики. Принять подобное утверждение нелегко, однако в действительности так оно и есть. Привычные представления о природе вещей оказываются несостоятельными при скоростях, приближающихся к скорости света.
И нельзя спрашивать, почему природа поступила именно так, а не иначе, подобный вопрос далеко не всегда корректен. Ровно с тем же успехом можно спросить, почему скорость света равняется 300 тысячам километров в секунду, а не другой величине – большей или меньшей. Можно поинтересоваться, для чего природе вообще понадобилось ограничивать скорость распространения сигнала некоей предельной величиной. Почему материальные тела не могут перемещаться со сколь угодно большой скоростью? Все это совершенно пустые вопросы, не имеющие права на существование. Почему, почему... Толочь воду в ступе можно до посинения. По кочану да по капусте! Так устроен мир, и переделать его никому еще не удавалось, что бы ни говорили по этому поводу ортодоксальные марксисты.
Закон сохранения энергии был сформулирован без малого 300 лет тому назад, но до сих пор ничего не известно о механизмах работы этого закона. Просто все процессы протекают так, что энергия сохраняется. Столь же нелепы рассуждения о том, что было, когда мира не было. Между прочим, это понимали еще древние. Блаженный Августин в свое время говаривал, что мир был сотворен не во времени, а вместе со временем, поэтому толковать о существовании чего бы то ни было до момента «ноль» не имеет никакого смысла. Что тут скажешь? Головастый был поп, и современные астрофизики подпишутся под каждым его словом.
К сожалению, есть вопросы, не имеющие права на постановку. Пока наука барахталась в пеленках и спрашивала природу о явлениях простых и привычных, ответы звучали вполне осмысленно. Масштаб человеческих притязаний был в ту пору сопоставим с его собственным масштабом. Однако законы природы меняются до неузнаваемости, когда силы, поля и расстояния выходят за пределы нашего повседневного опыта. Стоило нам спросить, чем является материя – частицей или волной, ответ оказался настолько неожиданным, что рассудок отказывался его принять. Мы настаивали на жесткой альтернативе, но с точки зрения природы вопрос в такой формулировке был лишен смысла. Следует раз и навсегда усвоить, что Вселенная создавалась не ради нас, мы только побочный продукт ее эволюции, а потому ответы, которые нам преподносит природа, не обязаны укладываться в любезные нашему сердцу схемы. Спрашивать тоже надо с умом.
У американского фантаста Роберта Шекли есть замечательный рассказ, называющийся просто и со вкусом – «Верный вопрос». Некая могущественная галактическая раса, давным-давно канувшая в небытие, построила уникальный агрегат, знающий все на свете. Он мог ответить на любой вопрос, если тот поставлен правильно. Слухом, как известно, земля полнится, и легионы энтузиастов бороздят космические просторы, не теряя надежды отыскать легендарный Ответчик. Некоторым это удается, и тогда те, кому улыбнулась удача, спешат задать мудрой машине вопрос о Самом Важном. Кто-то спрашивает о багрянце, кто-то – о законе восемнадцати, а кто-то – о жизни и смерти, как Пастернак у Сталина, потому что у каждого народа свои собственные представления о природе вещей. Однако все ходоки неизбежно терпят фиаско. К сожалению, Ответчик связан корректно поставленными вопросами, а такие вопросы требуют знаний, которыми спрашивающие не располагают. Задать толковый вопрос оказывается почти невыполнимой задачей. Землянам тоже не повезло.
Ответчик представился им белым экраном в стене. На их взгляд, он был крайне прост. ‹...›Одним словом, незадачливым звездопроходцам не пофартило. Они судили да рядили так и эдак, но толку от их усилий было чуть. Последняя попытка выглядела так:
– Очень хорошо. Ответчик, – обратился Лингман высоким слабым голосом, – что такое жизнь?
Голос раздался в их головах.
– Вопрос лишен смысла. Под «жизнью» Спрашивающий подразумевает частный феномен, объяснимый лишь в терминах целого.
– Частью какого целого является жизнь? – спросил Лингман.
– Данный вопрос в настоящей форме не может разрешиться. Спрашивающий все еще рассматривает «жизнь» субъективно, со своей ограниченной точки зрения.
– Ответь же в собственных терминах, – сказал Морран.
– Я лишь отвечаю на вопросы, – грустно произнес Ответчик.
Наступило молчание.
– Расширяется ли Вселенная? – спросил Морран.
– Термин «расширение» неприложим к данной ситуации. Спрашивающий оперирует ложной концепцией Вселенной.
– Ты можешь нам сказать хоть что-нибудь?
– Я могу ответить на любой правильно поставленный вопрос, касающийся природы вещей.
– Что есть смерть?Ничего более конкретного они не добились. Долгие часы они мучили Ответчик, мучили себя, но правда ускользала все дальше и дальше.
– Я не могу определить антропоморфизм.
– Смерть – антропоморфизм! – воскликнул Морран, и Лингман быстро обернулся. – Ну наконец-то мы сдвинулись с места.
– Реален ли антропоморфизм?
– Антропоморфизм можно классифицировать экспериментально: как А – ложные истины или В – частные истины – в терминах частной ситуации.
– Что здесь применимо?
– И то и другое.
Несолоно хлебавши, герои отчаливают домой. Вот как кончается рассказ:Если с грехом пополам нам удалось нащупать кое-какие закономерности микромира и даже кое-что экспериментально проверить, это еще не означает, что мы получим ответы на все проклятые вопросы. Подлинная природа вещей все равно не дается в руки, и недаром Лев Давидович Ландау рвал и метал, когда готовил к печати популярную брошюру «Что такое теория относительности?». «Это же не лезет ни в какие ворота, – кипятился он, обращаясь к своему соавтору Юрию Борисовичу Румеру, – двое проходимцев пытаются убедить простака, что он за гривенник разберется в проблеме». Разумеется, Ландау был абсолютно прав. Аналогия и метафора – вещи хорошие, но и они рано или поздно начинают пробуксовывать. При всем желании мы не можем наглядно вообразить пространственно-временную пену в области планковских длин или свернутые в тончайшие трубочки дополнительные измерения, потому что Homo sapiens – это всего-навсего умная обезьяна, сумевшая овладеть речью и понятийным мышлением. Наши органы чувств жестко привязаны к биотопу под названием «планета Земля», где нас растили и пестовали на протяжении 3 миллиардов лет. Выше головы не прыгнешь, и потому реальная подоплека мироустройства, остающаяся тайной за семью печатями, сплошь и рядом может быть показана только математически.
Один на планете – не большой и не малой, а как раз подходящего размера – ждал Ответчик. Он не может помочь тем, кто приходит к нему, ибо даже Ответчик не всесилен.
Вселенная? Жизнь? Смерть? Багрянец? Восемнадцать? Частные истины, полуистины, крохи великого вопроса.
И бормочет Ответчик вопросы сам себе, верные вопросы, которые никто не может понять.
И как их понять?
Чтобы правильно задать вопрос, нужно знать большую часть ответа.
Мир функционирует по универсальным законам, именуемым законами природы, и математика выступает в роли путеводителя по нечеловеческим областям мира. Интеллект, сформировавшийся в земной биологической нише, на каждом шагу пасует перед парадоксами, которые нельзя укусить, понюхать или взять в руку. Для того, кто провалился в черную дыру, пространство приобретает вид времени, поскольку он не сможет вернуться назад, подобно тому как невозможно двигаться вспять по оси времени, то есть в прошлое. Вообразить наглядно такую картину нелегко, однако математика, как нить Ариадны, позволяет проникнуть в такие закоулки мироздания, куда заказан путь простым смертным. Правда, некоторые ученые утверждают, что разбираются в подобных вещах столь же непринужденно, как различают на вкус соленое или кислое. На самом деле они немного лукавят: в действительности они понимают всего лишь соответствие теории и опытных результатов.
Физика с математикой – это узкая тропинка над пропастями, недоступными человеческому воображению. Человек так устроен, что жаждет окончательных истин, но в науке необходима сдержанность. Мир отказывается отвечать на вопросы о своей окончательной сущности, и мы теряемся, когда узнаем, что абсолютный вакуум вовсе не пуст, а энергия может быть отрицательной. Между прочим, именно в этом коренится видовое отличие между верой и знанием. Вера все знает наперед, у нее, как у ловкого шулера, всегда спрятана в рукаве козырная карта. А наука отчетливо сознает свое несовершенство. Математика может многое, но далеко не все.
К сожалению, и математика не всегда выручает, ибо нет никакой уверенности, что мир по своей природе математичен. Конечно, этот хитроумный код позволяет иногда получать ответы на правильно поставленные вопросы, но это еще не означает, что математические символы вскрывают суть вещей. Конечно же, мы не столь наивны, чтобы перечеркнуть математический подход в принципе, мы только подчеркиваем сугубо подсобную роль математики как познавательного орудия, помогающего достичь определенной цели. О тождественности объекта познания и инструмента познания речи здесь нет. Станислав Лем так написал об этом:
Математика скорее становится чем-то вроде лестницы, по которой можно подняться на гору, хотя сама она вовсе не похожа на эту гору. ‹...› По фотографии горы можно, применяя соответствующий масштаб, определить ее высоту, падение склона и так далее. Лестница тоже может нам многое сказать о горе, к которой ее прислонили. Однако вопрос о том, что' на горе соответствует перекладинам лестницы, не имеет смысла. Ведь они служат для того, чтобы добраться до вершины. Точно так же невозможно спрашивать о том, является ли эта лестница «истинной». Она лишь может быть лучшей или худшей как орудие достижения цели.Золотые слова. По сути дела, речь здесь идет о том, что наши модели, если даже они исправно работают, замечательно согласуются с опытом и дают предсказуемые результаты, могут оказаться всего лишь бледной тенью непостижимой реальности. И это еще в лучшем случае. А вдруг когда-нибудь выяснится, что все наши модели, напичканные головоломной математикой, не имеют ровным счетом никакого отношения к миру вещей? Такую малоприятную перспективу тоже следует иметь в виду на всякий случай. И хотя прагматический аспект научных теорий от этого ничуть не пострадает, будет все же до глубины души обидно сознавать, что человечеству никогда не суждено продраться к первоосновам бытия. Этот глубоко философский вопрос остроумно обыграл уже знакомый нам Роберт Шекли.
В его блистательном романе «Обмен разумов» есть небольшая глава, посвященная так называемому Искаженному Миру – зыбкой и причудливой изнанке скучной реальности. Позволим себе несколько цитат.
...итак, благодаря уравнениям Римана-Хаке была, наконец, математически доказана теоретическая необходимость твистер-манновой пространственной зоны логической деформации. Эта зона получила название Искаженного Мира, хотя на самом деле не искажена и миром не является.И далее:
Некий мудрец однажды спросил: «Что будет, если я войду в Искаженный Мир, не имея предвзятых идей?» Дать точный ответ на такой вопрос невозможно, однако мы полагаем, что к тому времени, как мудрец оттуда выйдет, предвзятые идеи у него появятся. Отсутствие убеждений не самая надежная защита.
Некоторые считают высшим достижением интеллекта открытие, что решительно все можно вывернуть наизнанку и превратить в собственную противоположность. Исходя из такого допущения, можно поиграть во многие занятные игры; но мы не призываем вводить его в Искаженном Мире. Там все догмы одинаково произвольны, включая догму о произвольности догм.
Не надейся перехитрить Искаженный Мир. Он больше, меньше, длиннее и короче, чем мы. Он недоказуем. Он просто есть.
То, что уже есть, не требует доказательств. Все доказательства суть попытки чем-то стать. Доказательство истинно только для самого себя, оно не свидетельствует ни о чем, кроме наличия доказательств, а это ничего не доказывает.
То, что есть, невероятно, ибо все отчуждено, ненужно и грозит рассудку.
Возможно, эти замечания об Искаженном Мире не имеют ничего общего с Искаженным Миром. Но путешественник предупрежден.Конечно же, дядя шутит, но, как известно, в каждой шутке всегда есть доля шутки. Мир оказался гораздо сложнее, чем наши доморощенные представления о нем, и об этом ни на минуту не следует забывать. Разумеется, мне меньше всего хотелось, чтобы вы, читатель, подумали, будто природа непознаваема. Я просто-напросто пытался подчеркнуть, что нужно трезво оценивать свои возможности, а не заниматься дешевым шапкозакидательством.
Кирпичи мироздания
Хвала тому, кто первый начал называть котов и кошек человеческими именами,
Кто дал жукам названия точильщиков, могильщиков и дровосеков,
Кто ложки чайные украсил буквами и вензелями,
Кто греков разделил на древних и на просто греков.
Николай Олейников
Античные философы полагали, что фундамент мироздания сложен из четырех основных элементов – земли, воздуха, огня и воды. Великий Аристотель добавил к этой комбинации пятую сущность – так называемую квинтэссенцию, из которой якобы построены эфирные тела. Он считал, что вещество можно дробить бесконечно, так никогда и не добравшись до той мельчайшей крупинки, которая уже не поддается дальнейшему дроблению. Упрямые атомисты не соглашались с корифеем всех наук, настаивая на том, что материя состоит из атомов – крохотных неделимых частиц, пребывающих в постоянном движении (слово «атом» в буквальном переводе с греческого означает «неделимый»). Эту идею поддерживали такие выдающиеся мыслители древности, как Демокрит, Эпикур и Левкипп, но поскольку античная наука была насквозь спекулятивной и боялась эксперимента как черт ладана, толку от этих упражнений в суесловии было чуть. Даже когда английский естествоиспытатель Джон Дальтон в 1803 году показал, что химические вещества всегда соединяются в определенных пропорциях, многовековой спор между двумя школами все еще не был окончательно решен в пользу атомистов.
Впрочем, в позапрошлом веке подавляющее большинство ученых уже не сомневалось в корпускулярном строении вещества. К концу XIX столетия, когда Джозеф Джон Томсон из Тринити-колледжа в Кембридже открыл электрон, стало понятно, что атом имеет сложную внутреннюю структуру и не является элементарным кирпичиком мироздания. Но каким образом электроны и протоны (нейтрон был открыт только в 1932 году Джеймсом Чэдвиком) располагаются в атоме друг относительно друга, было совершенно не ясно. Скажем, лорд Кельвин считал атом сферическим образованием, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд, а внутри сферы в статическом равновесии находятся отрицательно заряженные электроны. Но уже буквально через несколько лет Резерфорд не оставил от этой модели камня на камне.
Опыт английского физика был сравнительно прост. Он обстреливал тончайшую золотую фольгу пучком альфа-частиц, летящих со скоростью 20 тысяч километров в секунду. Альфа-излучение – это массивные положительно заряженные частицы, испускаемые некоторыми нуклидами в процессе радиоактивного распада. Резерфорда занимал вопрос, насколько сильно отклонятся частицы, пройдя через золотую фольгу. Картинка получилась весьма любопытная. Как и следовало ожидать, большая часть альфа-частиц пробила фольгу навылет, практически не отклонившись или отклонившись на незначительный угол в 2–3 градуса. Но некоторые частицы отклонялись гораздо заметнее – на 90 градусов и больше, а отдельные немногие и вовсе отскакивали назад, как отлетает от стены брошенный мяч. Складывалось впечатление, что атомы тончайшей пленки могут быть серьезным препятствием на пути стремительно летящих массивных альфа-частиц. Это казалось совершенно невероятным: с таким же успехом можно было предположить, что лист ватмана способен остановить винтовочную пулю.
И тут Резерфорда вдруг осенило. Он воспользовался примером, что называется, из другой оперы – представил, как ведет себя комета в окрестностях Солнца. Попав в мощное гравитационное поле нашего светила, она может сильно изменить траекторию полета, сделать, например, виток и удалиться от Солнца в самом неожиданном направлении. С другой стороны, гравитационное взаимодействие между объектами микромира настолько мало, что его вряд ли имеет смысл принимать во внимание. Тогда, быть может, внутри атома действуют какие-то другие силы, например электромагнитные? Альфа-частица действительно заряжена положительно, но вот беда: сам-то атом электрически нейтрален! А что если внутриатомный заряд распределен неравномерно? Ведь комета тоже взаимодействует не со всей солнечной системой, а только с ее центральным звеном – Солнцем. И Резерфорд догадался, что непротиворечиво объяснить результат эксперимента можно только одним-единственным способом. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вокруг ядра вращаются, как планеты вокруг Солнца. Причем атомное ядро много меньше атома в целом (как и Солнце значительно меньше Солнечной системы), хотя почти вся масса атома сосредоточена как раз в атомном ядре. Поэтому те альфа-частицы, которые пролетели вдали от ядра, почти не подверглись его влиянию, а вот частицы, захваченные ядром, отклонились очень сильно. А поскольку атом за исключением ядра практически пуст, количество ощутимо отклонившихся частиц было весьма незначительным.
Сегодня мы знаем, что размер атома составляет в среднем 10-8см, а размер атомного ядра – 10-13см. Разница на пять порядков, то есть в 100 тысяч раз! Заряды протона и электрона противоположны по знаку и равны в абсолютном выражении, а вот масса протона превосходит массу электрона в 1836 раз. В электрически нейтральном атоме число протонов соответствует числу электронов, но протоны собраны в исчезающе малом объеме (а ведь там еще есть нейтроны, превосходящие электроны по массе примерно на ту же самую величину), в то время как электроны распределены по всему атому. Таким образом, положительный заряд и почти вся масса атома предельно сконцентрированы, а отрицательный заряд распылен, «размазан» по всему пространству крохотной «солнечной системы».
Разумеется, планетарная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, не осталась неизменной до сегодняшнего дня. Первые серьезные поправки в нее внесли еще Нильс Бор и Вольфганг Паули, и с течением времени атом стал все меньше и меньше напоминать Солнечную систему. Во второй половине прошлого века выяснилось, что нуклоны атомного ядра (современная физика считает, что протон и нейтрон – это два зарядовых состояния одной и той же частицы – нуклона) вовсе не исходные кирпичи мироздания, а построены в свою очередь из особых субъядерных частиц – кварков. Этот термин придумал Мюррей Гелл-Манн, теоретик из Калифорнийского технологического института, позаимствовавший звонкое словечко у Джеймса Джойса, автора заумной вещи «Поминки по Финнегану». В 1969 году за исследование кварков он был удостоен Нобелевской премии.
Как мы видим, от Солнечной системы почти ничего не осталось. И хотя сегодня нам прекрасно известно, что реальный электрон совсем не похож на планету, а если его и можно с чем-то сравнить, то скорее с неким размытым облаком, обладающим сложными свойствами, это ничуть не умаляет ценности предложенной Резерфордом модели. Не подлежит сомнению, что сам английский ученый в полной мере отдавал себе отчет в приблизительности собственной аналогии, хотя не имел понятия ни о принципе неопределенности Гейзенберга, ни тем более о кварках Гелл-Манна.
Тем не менее модель Резерфорда сразу же столкнулась с серьезными трудностями. Поскольку электрон пребывает в постоянном движении, то он, по сути дела, представляет собой движущийся электрический заряд, который непрерывно растрачивает энергию, ибо движущийся заряд обязан излучать. Следовательно, через очень короткое время обессилевший электрон, бездарно разбазаривший свой золотой запас, должен по суживающейся спирали обрушиться на ядро. Другими словами, атом Резерфорда предельно нестабилен, он обязан погибнуть в считанные доли секунды. Выход из этого неприятного положения нашел великий датчанин Нильс Бор, один из создателей квантовой механики.
Однако сначала как следует разберемся со строением атома. В простейшем случае атомное ядро состоит из одного-единственного протона. Так устроен, например, атом водорода: положительно заряженный протон в центре и несущий отрицательный заряд электрон, расположенный на орбите вокруг протона. В целом атом водорода электрически нейтрален, так как плюс на минус в итоге дает нуль (напоминаем, что хотя электрон и протон различаются по массе в 1836 раз, их заряды по величине равны). Итак, структуру атома простого водорода (протия) можно изобразить графически следующим образом: ]Н. Единица внизу слева от химического символа водорода (Н) обозначает атомный номер элемента, который соответствует числу протонов в ядре (а поскольку атом электрически нейтрален, электронов на орбитах ровно столько же, сколько протонов). Единица вверху слева – это массовое число, отражающее количество нуклонов в ядре (то есть протоны плюс нейтроны). В случае обычного водорода, протия, нейтронов в ядре нет, поэтому атомный номер и массовое число равны между собой.
Если добавить в ядро обычного водорода нейтрон, мы получим его изотоп – дейтерий, или тяжелый водород. Тогда его формула будет выглядеть так: 1 1H. Атомный номер по-прежнему равен единице, ибо количество протонов в ядре не изменилось, а вот массовое число выросло вдвое, поскольку к протону добавился не имеющий заряда нейтрон. У водорода есть еще один изотоп – тритий, формула которого запишется следующим образом: 3 1H. Легко видеть, что в ядре трития содержатся 2 нейтрона и 1 протон (массовое число равно трем), а вот атомный номер опять же не изменился, так как протон все еще пребывает в гордом одиночестве. И протий, и дейтерий, и тритий химически совершенно идентичны и представляют собой один и тот же элемент – водород, потому что химические свойства элементов связаны с валентными электронами, а их количество во всех трех случаях совершенно одинаково (число протонов равно числу электронов).
Итак, химические элементы, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа, называются изотопами. Или еще проще: изотопы – это ядра атомов, различающиеся числом нейтронов, но содержащие одинаковое количество протонов. Все три ипостаси водорода – протий, дейтерий и тритий – будут занимать одну и ту же ячейку в Периодической системе элементов. А теперь попытаемся применить полученные знания на практике. Как известно, природный уран состоит из смеси трех изотопов – уран-238, уран-235 и уран-234, причем на долю урана-238 приходится более 99 %. Вот его формула: 238 92U. Атомный номер урана-238 выражается числом 92, следовательно, в его ядре содержится 92 протона, а вот суммарное количество протонов и нейтронов равняется 238. Чтобы узнать, сколько в ядре урана-238 имеется нейтронов, нужно вычесть из большего числа меньшее: 238 минус 92 равно 146. Итак, нейтронов в ядре урана почти вдвое больше, чем протонов. То же самое относится и к двум другим его изотопам, только количество нейтронов в их ядрах будет немного меньше. Все три изотопа природного урана занимают одну и ту же клетку Периодической системы элементов и содержат 92 протона (их атомный номер один и тот же). Такие перегруженные нейтронами ядра весьма нестабильны и способны самопроизвольно распадаться. Это явление называется радиоактивным распадом и сопровождается генерацией жесткого излучения (различные варианты радиоактивного распада мы разбирать не станем). Между прочим, ядро трития, в отличие от дейтерия и обычного водорода, тоже нестабильно, потому что имеет избыток нейтронов.
Впрочем, в позапрошлом веке подавляющее большинство ученых уже не сомневалось в корпускулярном строении вещества. К концу XIX столетия, когда Джозеф Джон Томсон из Тринити-колледжа в Кембридже открыл электрон, стало понятно, что атом имеет сложную внутреннюю структуру и не является элементарным кирпичиком мироздания. Но каким образом электроны и протоны (нейтрон был открыт только в 1932 году Джеймсом Чэдвиком) располагаются в атоме друг относительно друга, было совершенно не ясно. Скажем, лорд Кельвин считал атом сферическим образованием, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд, а внутри сферы в статическом равновесии находятся отрицательно заряженные электроны. Но уже буквально через несколько лет Резерфорд не оставил от этой модели камня на камне.
Опыт английского физика был сравнительно прост. Он обстреливал тончайшую золотую фольгу пучком альфа-частиц, летящих со скоростью 20 тысяч километров в секунду. Альфа-излучение – это массивные положительно заряженные частицы, испускаемые некоторыми нуклидами в процессе радиоактивного распада. Резерфорда занимал вопрос, насколько сильно отклонятся частицы, пройдя через золотую фольгу. Картинка получилась весьма любопытная. Как и следовало ожидать, большая часть альфа-частиц пробила фольгу навылет, практически не отклонившись или отклонившись на незначительный угол в 2–3 градуса. Но некоторые частицы отклонялись гораздо заметнее – на 90 градусов и больше, а отдельные немногие и вовсе отскакивали назад, как отлетает от стены брошенный мяч. Складывалось впечатление, что атомы тончайшей пленки могут быть серьезным препятствием на пути стремительно летящих массивных альфа-частиц. Это казалось совершенно невероятным: с таким же успехом можно было предположить, что лист ватмана способен остановить винтовочную пулю.
И тут Резерфорда вдруг осенило. Он воспользовался примером, что называется, из другой оперы – представил, как ведет себя комета в окрестностях Солнца. Попав в мощное гравитационное поле нашего светила, она может сильно изменить траекторию полета, сделать, например, виток и удалиться от Солнца в самом неожиданном направлении. С другой стороны, гравитационное взаимодействие между объектами микромира настолько мало, что его вряд ли имеет смысл принимать во внимание. Тогда, быть может, внутри атома действуют какие-то другие силы, например электромагнитные? Альфа-частица действительно заряжена положительно, но вот беда: сам-то атом электрически нейтрален! А что если внутриатомный заряд распределен неравномерно? Ведь комета тоже взаимодействует не со всей солнечной системой, а только с ее центральным звеном – Солнцем. И Резерфорд догадался, что непротиворечиво объяснить результат эксперимента можно только одним-единственным способом. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вокруг ядра вращаются, как планеты вокруг Солнца. Причем атомное ядро много меньше атома в целом (как и Солнце значительно меньше Солнечной системы), хотя почти вся масса атома сосредоточена как раз в атомном ядре. Поэтому те альфа-частицы, которые пролетели вдали от ядра, почти не подверглись его влиянию, а вот частицы, захваченные ядром, отклонились очень сильно. А поскольку атом за исключением ядра практически пуст, количество ощутимо отклонившихся частиц было весьма незначительным.
Сегодня мы знаем, что размер атома составляет в среднем 10-8см, а размер атомного ядра – 10-13см. Разница на пять порядков, то есть в 100 тысяч раз! Заряды протона и электрона противоположны по знаку и равны в абсолютном выражении, а вот масса протона превосходит массу электрона в 1836 раз. В электрически нейтральном атоме число протонов соответствует числу электронов, но протоны собраны в исчезающе малом объеме (а ведь там еще есть нейтроны, превосходящие электроны по массе примерно на ту же самую величину), в то время как электроны распределены по всему атому. Таким образом, положительный заряд и почти вся масса атома предельно сконцентрированы, а отрицательный заряд распылен, «размазан» по всему пространству крохотной «солнечной системы».
Разумеется, планетарная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, не осталась неизменной до сегодняшнего дня. Первые серьезные поправки в нее внесли еще Нильс Бор и Вольфганг Паули, и с течением времени атом стал все меньше и меньше напоминать Солнечную систему. Во второй половине прошлого века выяснилось, что нуклоны атомного ядра (современная физика считает, что протон и нейтрон – это два зарядовых состояния одной и той же частицы – нуклона) вовсе не исходные кирпичи мироздания, а построены в свою очередь из особых субъядерных частиц – кварков. Этот термин придумал Мюррей Гелл-Манн, теоретик из Калифорнийского технологического института, позаимствовавший звонкое словечко у Джеймса Джойса, автора заумной вещи «Поминки по Финнегану». В 1969 году за исследование кварков он был удостоен Нобелевской премии.
Как мы видим, от Солнечной системы почти ничего не осталось. И хотя сегодня нам прекрасно известно, что реальный электрон совсем не похож на планету, а если его и можно с чем-то сравнить, то скорее с неким размытым облаком, обладающим сложными свойствами, это ничуть не умаляет ценности предложенной Резерфордом модели. Не подлежит сомнению, что сам английский ученый в полной мере отдавал себе отчет в приблизительности собственной аналогии, хотя не имел понятия ни о принципе неопределенности Гейзенберга, ни тем более о кварках Гелл-Манна.
Тем не менее модель Резерфорда сразу же столкнулась с серьезными трудностями. Поскольку электрон пребывает в постоянном движении, то он, по сути дела, представляет собой движущийся электрический заряд, который непрерывно растрачивает энергию, ибо движущийся заряд обязан излучать. Следовательно, через очень короткое время обессилевший электрон, бездарно разбазаривший свой золотой запас, должен по суживающейся спирали обрушиться на ядро. Другими словами, атом Резерфорда предельно нестабилен, он обязан погибнуть в считанные доли секунды. Выход из этого неприятного положения нашел великий датчанин Нильс Бор, один из создателей квантовой механики.
Однако сначала как следует разберемся со строением атома. В простейшем случае атомное ядро состоит из одного-единственного протона. Так устроен, например, атом водорода: положительно заряженный протон в центре и несущий отрицательный заряд электрон, расположенный на орбите вокруг протона. В целом атом водорода электрически нейтрален, так как плюс на минус в итоге дает нуль (напоминаем, что хотя электрон и протон различаются по массе в 1836 раз, их заряды по величине равны). Итак, структуру атома простого водорода (протия) можно изобразить графически следующим образом: ]Н. Единица внизу слева от химического символа водорода (Н) обозначает атомный номер элемента, который соответствует числу протонов в ядре (а поскольку атом электрически нейтрален, электронов на орбитах ровно столько же, сколько протонов). Единица вверху слева – это массовое число, отражающее количество нуклонов в ядре (то есть протоны плюс нейтроны). В случае обычного водорода, протия, нейтронов в ядре нет, поэтому атомный номер и массовое число равны между собой.
Если добавить в ядро обычного водорода нейтрон, мы получим его изотоп – дейтерий, или тяжелый водород. Тогда его формула будет выглядеть так: 1 1H. Атомный номер по-прежнему равен единице, ибо количество протонов в ядре не изменилось, а вот массовое число выросло вдвое, поскольку к протону добавился не имеющий заряда нейтрон. У водорода есть еще один изотоп – тритий, формула которого запишется следующим образом: 3 1H. Легко видеть, что в ядре трития содержатся 2 нейтрона и 1 протон (массовое число равно трем), а вот атомный номер опять же не изменился, так как протон все еще пребывает в гордом одиночестве. И протий, и дейтерий, и тритий химически совершенно идентичны и представляют собой один и тот же элемент – водород, потому что химические свойства элементов связаны с валентными электронами, а их количество во всех трех случаях совершенно одинаково (число протонов равно числу электронов).
Итак, химические элементы, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа, называются изотопами. Или еще проще: изотопы – это ядра атомов, различающиеся числом нейтронов, но содержащие одинаковое количество протонов. Все три ипостаси водорода – протий, дейтерий и тритий – будут занимать одну и ту же ячейку в Периодической системе элементов. А теперь попытаемся применить полученные знания на практике. Как известно, природный уран состоит из смеси трех изотопов – уран-238, уран-235 и уран-234, причем на долю урана-238 приходится более 99 %. Вот его формула: 238 92U. Атомный номер урана-238 выражается числом 92, следовательно, в его ядре содержится 92 протона, а вот суммарное количество протонов и нейтронов равняется 238. Чтобы узнать, сколько в ядре урана-238 имеется нейтронов, нужно вычесть из большего числа меньшее: 238 минус 92 равно 146. Итак, нейтронов в ядре урана почти вдвое больше, чем протонов. То же самое относится и к двум другим его изотопам, только количество нейтронов в их ядрах будет немного меньше. Все три изотопа природного урана занимают одну и ту же клетку Периодической системы элементов и содержат 92 протона (их атомный номер один и тот же). Такие перегруженные нейтронами ядра весьма нестабильны и способны самопроизвольно распадаться. Это явление называется радиоактивным распадом и сопровождается генерацией жесткого излучения (различные варианты радиоактивного распада мы разбирать не станем). Между прочим, ядро трития, в отличие от дейтерия и обычного водорода, тоже нестабильно, потому что имеет избыток нейтронов.