Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

Атомы золота, подобные тем, что вы обнаружили на своей кухне, были сканированы таким же образом несколько десятилетий назад. Сканирующие туннельные микроскопы сегодня используются для получения представления о том, каким образом различные типы атомов переплетаются в окружающей нас материи, а также в самых современных, искусственно созданных материалах. С помощью такого микроскопа инженеры получили возможность управлять отдельными атомами. Квантовое туннелирование оказалось реальным. И оно имеет практическое применение.

За создание такого инструмента Бинниг и Рорер были удостоены в 1986 году Нобелевской премии по физике.[34]

Электроны, подобные тому, что вы пытались поймать, заселяют внешние границы всех атомов Вселенной. И они неуловимы. Но, несмотря на невозможность описать их внешний вид, используя терминологию повседневной речи, ученые научились принимать их странное поведение.

Насколько известно современной науке, электроны невозможно расчленить на какие-либо более мелкие частицы. В отличие от атома их нельзя расщепить, разделить или даже сломать. Они созданы электромагнитным полем, они – его выражение.

За то, что они не являются ничем, кроме себя самих, за то, что они – одно из самых основных, фундаментальных выражений электромагнитного поля, электроны называют фундаментальными частицами.

Быстро исчезающие жемчужины света, появлявшиеся между магнитом и холодильником, напротив, носят название виртуальных частиц. Они – переносчики взаимодействий, существующие только для передачи электромагнитной силы между электрически или магнитно заряженными частицами.

Атомы, будучи созданы из более мелких компонентов (электронов и того, что составляет их ядро), не являются фундаментальными частицами. Они состоят из их большого количества.

Далее, электроны взаимодействуют с остальным миром не только посредством виртуальных фотонов. Они также могут вступать в контакт с реальными фотонами, с реальным светом, обнаруживаемым человеческим глазом. Эта игра материи и света и заставляет нас видеть мир таким, какой он есть.

В настоящее время реальные фотоны, подобно электронам, также понимаются как созданные из ничего фундаментальные выражения электромагнитного поля: они – настоящая рябь невидимого моря, квантовая пульсация, способная вести себя как волны и как частицы.

Как раз такая волна фотонов теперь омывает атом водорода. Чтобы попасть сюда, им пришлось проделать долгий путь. Около миллиона лет они пытались вырываться из расплавленного ядра Солнца на его поверхность, которой достигли примерно восемь с половиной минут назад. Наконец-то свободные и не обремененные материей, они со скоростью света промчались сквозь космическое пространство все 150 миллионов километров, отделяющие поверхность разъяренной звезды от нашей планеты. Из всех мест, куда они могли направиться, эти фотоны в конечном итоге выбрали Землю, достигнув ее атмосферы лишь долю секунды назад, только чтобы зарядиться в ней и подлететь… к окну вашей кухни. С этого момента у них осталось не так много дел. Они прошли сквозь оконное стекло и подлетели к атому водорода.

Ваша мини-копия наблюдает за их беспорядочным движением по кухне, надеясь увидеть момент их прикосновения к атому. Вместо этого все они пролетают сквозь него и разбиваются о стену кухни.

За исключением одного исчезнувшего.

Пропавшего.

Куда он делся?

Вы в удивлении озираетесь вокруг, пока не замечаете, что неуловимый электрон атома водорода движется теперь иначе. Если рассматривать его как окаймляющую ядро волну, то ее гребни сближаются друг с другом.

Как это возможно?

Электрон возбужден.

Он проглотил фотон.

Помните, как мы впервые встретились с этим странным явлением некоторое время назад во второй части, проверяя первый космологический принцип.

Но сейчас происходит что-то еще более интересное: через некоторое время электрон неожиданно выплевывает точно такой же, как исчезнувший, проглоченный фотон, летящий теперь в случайно выбранном направлении.

Поразмыслив мгновение, вы делаете единственно возможный вывод: наиболее известные фундаментальные частицы электромагнитного поля, а именно электроны и фотоны, могут взаимодействовать и взаимодействуют между собой. И эти электроны и фотоны могут превращаться друг в друга.

Подумав еще немного, вы понимаете, что на самом деле всегда знали это: разве вы не чувствуете тепло, купаясь в солнечном свете? Разве, когда вы сидите зимой перед затопленным камином, кожа не нагревается? Кожа, как и вся материя в нашем мире, состоит из атомов, внешние слои которых заполнены электронами. Когда с ними сталкивается исходящий от Солнца свет, атомы кожи и их электроны «ловят» фотоны, превращаясь в возбужденные электроны, начинающие двигаться несколько быстрее, создавая тепло, нравящееся (или нет) вашему телу.

Это такое невероятное открытие, что я еще раз повторюсь: материя и свет могут превращаться и превращаются друг в друга.

Все в нашем мире есть игра материи и света.

Но не только.

В двух последних главах, хоть вы всего лишь наблюдали за взаимодействием холодильника и магнита и скользили по поверхности атома, вы успели сделать великие открытия. Вы разгадали тайну «дальнодействия» электромагнетизма и увидели, как материя и свет могут играть друг с другом. Конечно, эта игра – только один из аспектов нашего мира, но действительно феноменально, что скромные человеческие чувства созданы, чтобы ощущать ее. Свет постоянно попадает на наше тело, возбуждая электроны нашей плоти, глаз и их сетчатки, нагревая создающую нас материю и сообщая ей некоторую энергию. Атомы также могут выплевывать обратно свет, проглоченный их электронами, что заставляет нас и окружающие предметы «светиться» одним или несколькими цветами, цветами атома – или множества атомов, – поглотивших фотоны. Это то, что придает цвет нашим глазам, коже, волосам и одежде, всем растениям и камням, а также особый оттенок далеким звездам. Лучи света падают на помидор; весь видимый свет поглощается, нагревая его или сохраняясь внутри, за исключением бесполезных для атомов помидора лучей красной части спектра, которые исторгаются обратно для дальнейшего путешествия, одновременно говоря глазам, что мы смотрим на превосходный красный овощ. Без электронов и фотонов мы не увидели бы ни помидоры, ни друг друга, а также не узнали бы, из чего состоит остальная часть Вселенной и подчиняются ли ее дальние уголки тем же физическим законам, что существуют вокруг нас. Но еще удивительнее то, что благодаря чувствам наши тела преобразуют все эти невероятные взаимодействия в обработанные мозгом ощущения. Человечество вывело из этих взаимодействий науку, а также выяснило наличие заполняющих всю Вселенную полей. И это не просто удивительно, а настоящее чудо.