Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

первооснова. – Кипящая пустота. – Один мир и две системы. – Вращение без движения. – Спин электрона, наконец-то! – Лишняя половина, и такая разница. – Про что же уравнение?

Главный герой: непримиримая вражда

Атом не должен существовать. Неожиданно скоро после того, как окончательно утвердилась реальность атомов, случился «взрыв внутрь» – проникновение вглубь атома[198]. Атом оказался делимым и сложенным из некоторого числа «деталей», которые, очевидно, не могли не пребывать в движении, но одновременно с этим должны были соединяться между собой каким-то относительно устойчивым образом. Эти требования оказались взаимно противоречивыми. Для понимания происходящего потребовался переворот во взглядах на движение и, как следствие, на устройство мира, кульминация которого – неповторимая эпоха Sturm und Drang («бури и натиска») – пришлась на 1925–1926 гг., когда была сформулирована новая механика, названная квантовой. Слово «механика» указывает на изучение движения, в первую очередь с точки зрения его причин, т. е. выражает желание ответить на вопрос о том, что будет, исходя из того, что имеется сейчас, если известны все действующие факторы. Смысл же прилагательного «квантовая» оказался значительно шире, чем у слова «квант», как его использовал Планк[199].

Начало этой цепочки событий пришлось на 1908–1911 гг., когда – всего через несколько лет после смерти Больцмана – для прощупывания внутренности атомов удалось использовать движение. Идея была близка к следующему, довольно затратному способу знакомства с окрестным ландшафтом. Если перед вами находится начисто затянутая туманом узкая полоса зеленых насаждений (деревьев или кустов), то способ разобраться, что там скрыто от глаз, – усердно бросать в туман камни и фиксировать, пролетают ли они насквозь. Из моего пристрастия к рогаткам можно, наверное, сделать вывод, что в детстве я не настрелялся вволю, но здесь и правда подойдет хорошая рогатка, используемая с некоторым «стандартным» натяжением. Через кустарник камни будут пролетать насквозь, испытывая лишь небольшое влияние встреченного ими по дороге, но в случае отдельно стоящих деревьев вроде сосен картина будет иной: камни или пролетят через исследуемую область без какого-либо сопротивления, или, в достаточно редких случаях, вообще не пролетят насквозь, из чего вы сможете со временем сделать вывод о густоте, с которой посажены деревья, и даже о средней толщине стволов. Революционное предложение состояло в том, чтобы похожим образом простреливать слой вещества. Подходящими «камнями» оказались альфа-частицы (ядра атомов гелия, по другому поводу уже встречавшиеся нам в главе «прогулка 5» и далее; они электрически заряжены и поэтому поддаются ускорению электрическим полем, хотя в первых экспериментах достаточно было скоростей, с которыми они вылетали из радиоактивного источника). Альфа-частицы направили на фольгу из золота толщиной всего в несколько сотен атомов, а затем фиксировали, как они разлетаются; все работало даже лучше, чем с рогаткой, потому что альфа-частицы никогда не оставались где-то внутри, а всегда вылетали, отклоняясь из-за взаимодействия с веществом. Эти отклонения оказались очень информативными. За выяснение того, что происходит, взялся Резерфорд.

Исходно ожидался вариант, относящийся скорее к типу «кустарник». Было понятно, что где-то в недрах вещества имеются электроны, которые несут отрицательный электрический заряд; существование электрона в качестве заряженной частицы – «корпускулы» – установил в 1897 г. Дж. Дж. Томсон[200]. А раз вещество в целом электрически нейтрально, там же должны находиться и положительные заряды. Про них совсем ничего известно не было, и Томсон не стал делать предположений о корпускулах, которые не наблюдались, а высказал идею, что известные ему электроны погружены в атоме в какое-то облако, несущее положительный заряд. Это звучало приемлемо с учетом имевшегося знания, но к 1911 г. выяснилось, что природа устроена совсем не так.

Оказалось, что альфа-частицы, сами несущие положительный заряд, проходят насквозь, практически не встречая положительного заряда нигде, за исключением областей крайне малого объема, диаметром в несколько тысяч раз меньше, чем предполагаемый размер атома. Зато при попадании в эту малость альфа-частица отклонялась радикально, вплоть до отскока практически назад. Этого никак не могло случаться, если бы положительный заряд был распределен по всему атому. Сам Резерфорд еще не употреблял слова «ядро», но именно он и обнаружил таким образом атомное ядро: весь положительный заряд в атоме оказался сконцентрирован в очень малом объеме. Для оценки можно считать диаметр атома равным 10–8 см, а размер ядра – 10–12 см. Разделяющие их четыре порядка означают различие в объеме в триллион раз. Там же, в крохотном ядре, как вскоре удалось выяснить, сидит и практически вся масса атома. Масштаб, которым оперировало человечество, в одночасье распространился на четыре порядка вглубь. Это было достигнуто только и единственно с использованием движения, и с тех пор исследование мира на все более мелких масштабах идет безостановочно в том темпе, в каком удается обеспечивать движение, необходимое для исследования (для чего и строятся ускорители элементарных частиц).

Недоразумение же возникло после этого (и долго не исчезало) из-за того, что известные законы природы остро конфликтовали с идеей, что в центре атома сконцентрирован положительный заряд, а на некотором удалении от него каким-то образом удерживаются электроны. Источник конфликта в том, что электрон совершенно нечем «закрепить» внутри атома. На этом масштабе уже нет ни «гвоздиков», ни «подставок». Все силы, которые там имеются, – это электрическое притяжение электрона, несущего отрицательный заряд, к положительному заряду в ядре (и еще отталкивание между любыми двумя электронами, что сейчас не так важно). Под действием притяжения к ядру все электроны должны были бы на него «упасть», но тогда и сам атом имел бы примерно размер ядра, а это очевидным образом не так. Из этого виден только один выход, если рассуждать в привычных нам терминах: электроны могли бы вращаться вокруг ядра. Однако любое движущееся по орбите тело меняет направление своей скорости (потому что постоянно «заворачивает»), другими словами – ускоряется. А ускоряющийся электрический заряд непременно излучает электромагнитные волны. С ними уходит энергия, электрон может взять эту энергию только из своего движения и, как показывают простые вычисления, чрезвычайно быстро отдав всю энергию движения, упадет на ядро. Конец атому. Атомы не должны существовать. (И такой вывод – вскоре после преодоления сомнений в существовании этих самых атомов!)

Атом не может быть организован как планетная система, сколь бы часто в массовой культуре ни рисовали что-то вроде ядра с мечущимися вокруг него шариками-электронами (рис. 10.1); антинаучная картинка настолько укоренилась в массовом сознании, что входит в эмблему МАГАТЭ (Международного агентства по атомной энергии). Ветви оливкового дерева на этой эмблеме изображены способом, который, возможно,