Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

Нет, нет, только не спрашивайте, из чего сделаны протоны, нейтроны и электроны! Вопрос, конечно, хороший, спору нет. И физики по этому поводу начнут рассказывать о кварках, из которых сложены протоны и нейтроны, об их «аромате», «цвете» и других свойствах, о том, что кварки, в свою очередь... Тут мы остановимся, тем более что в глубине материи ещё много неясного. Наш чудный мир не познан до конца, и ответ на многие нерешённые пока вопросы, вполне возможно, найдёте вы, когда станете взрослыми и посвятите себя науке.

Невидимое оставляет следы

Я чувствую, как в вас закрадывается сомнение. Если эти молекулы, атомы и элементарные частицы столь малы, что их невозможно увидеть, то почему мы так уверенно говорим об их существовании? Может, и нет их вовсе?

Действительно, размеры атома ничтожны. И до последнего времени не было такого микроскопа, который позволял бы их рассмотреть. Но это не значит, что нельзя убедиться в существовании атомов и элементарных частиц.

Представьте, что у вас в доме завелась мышка. Её не видно, но вы точно знаете, что она есть: кусочек сыра, оставленный на столе, ночью куда-то исчезает, в доме появляются мышкины следы, а по ночам слышится какой-то шорох. Значит, мышка есть, хотя её и не видать. Такой вывод мы сделали, как скажут учёные, на основании косвенных наблюдений. Или вот летит по небу самолет. Высоко-высоко, его и не видно совсем, и шума моторов не слышно. Зато отчётливо виден белый след, который он оставляет на небе после себя. Учёные называют его инверсионным следом.

Вещества умеют оставлять красивые следы. Например, марганцовка (на языке химиков — перманганат калия), растворяющаяся в воде

Ну что ж, это отличная идея — узнать о существовании частиц по их следам. Этот подход использовал шотландский физик Чарльз Вильсон, когда в начале XX века создал замечательную камеру Вильсона. Прозрачная камера содержит перенасыщенный водяной пар. Такому пару достаточно малейшего вмешательства, чтобы составляющие его молекулы воды, парящие в воздухе, начали собираться вместе и образовывать капельки воды, видимые глазу. Этот процесс называется «конденсация», и вы часто его наблюдаете, когда запотевают окна в машине или утром после холодной ночи выпадает роса на траве и цветах. И кстати, именно так образуется след от самолета в небе. Конденсацию паров воды вызывают частички не полностью сгоревшего топлива, вылетающие из двигателя. Поэтому инверсионный след часто называют ещё и конденсационным.

Вот в такую камеру влетает элементарная частица, электрон или протон, которую физики предварительно сильно разгоняют на специальных ускорителях элементарных частиц — циклотронах. В мгновение ока частица проходит камеру насквозь и оставляет после себя конденсационный след, состоящий из капелек воды. Этот след, который физики называют треком, не исчезает сразу же, поэтому у исследователей есть время, чтобы сфотографировать его. Удивительно красивые получаются фотографии. Физики не просто разглядывают их, а читают как книгу о жизни элементарных частиц и о тех событиях, которые происходят при их столкновении в камере Вильсона.

С помощью косвенных методов можно доказать и существование невидимых молекул. Шотландский ботаник Роберт Броун почти 200 лет назад заметил нечто необычное. Если крошечные частицы цветочной пыльцы поместить в воду и понаблюдать за ними в микроскоп, то будет видно, что пылинки не стоят на месте, а всё время совершают беспорядочные прыжки. Это непрерывное запутанное блуждание частиц в объёме жидкости было названо в честь первооткрывателя броуновским движением.

Но ведь эти частицы неживые, они не могут двигаться сами по себе, значит, кто-то их толкает с разных сторон и весьма сильно. Кто бы это мог быть? Спустя почти 80 лет, в 1905 году, Альберт Эйнштейн, один из величайших учёных двадцатого века, предположил, что толкают частички молекулы жидкости, которые, в свою очередь, тоже находятся в непрерывном движении. Их очень много, они налетают на частичку с разных сторон, и если вдруг в какой-то момент молекулы с одной стороны «зазеваются», а с другой ударят посильнее, то частичка сдвинется с места и пролетит некоторое расстояние.

Все это Альберт Эйнштейн изложил в его знаменитой научной статье о броуновском движении. Он даже теоретически подсчитал и предсказал, насколько должны смещаться пылинки в жидкости, если исходить из того, что их толкают молекулы.