Квантовые миры и возникновение пространства-времени

На тот момент не было серьезных доказательств в пользу такой гипотезы, поэтому она была отвергнута вплоть до начала XIX века, когда ученые приступили к экспериментам по количественному изучению химических реакций. Ключевую роль при этом сыграл оксид олова – соединение, состоящее из атомов олова и кислорода: выяснилось, что оно существует в двух разных формах. Английский ученый Джон Дальтон отметил, что количество олова в двух этих формах не отличается, зато количество кислорода в одной из них ровно вдвое больше, чем в другой. В 1803 году Дальтон дал возможное объяснение происходящему, предположив, что оба элемента состоят из дискретных частиц, которые он назвал древнегреческим словом «атомы». Необходимо было всего лишь представить, что в молекулах одной формы оксида олова один атом олова соединяется с одним атомом кислорода, а в другой форме на каждый атом олова приходится два атома кислорода. Дальтон предположил, что любой химический элемент состоит из атомов уникального сорта, и склонность атомов образовывать самые разные соединения – это суть всей химии. Обобщение простое, но способное впоследствии перевернуть мир.

Дальтон немного опережал события с такой номенклатурой. С точки зрения древних греков, суть атомов заключалась в их неделимости, в том, что они были фундаментальными первокирпичиками, из которых состоит все на свете. Но атомы Дальтона совсем не были неделимыми – они состояли из компактного ядра, вокруг которого, как планеты по орбитам, вращались электроны. Правда, чтобы осознать это, потребовалось еще более ста лет. Сначала, в 1897 году, английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон. Оказалось, что эта частица совершенно нового вида в 1800 раз легче водорода, самого легкого атома, обладающая к тому же электрическим зарядом. В 1909 году Эрнест Резерфорд, бывший студент Томсона – новозеландец, перебравшийся в Англию благодаря своим успехам в учебе, – показал, что масса атома сосредоточена в центре, в ядре, тогда как общий размер атома зависит от диаметра орбит гораздо более легких электронов, вращающихся вокруг этого ядра. Предложенная Резерфордом модель атома известна нам по рисункам, где электроны вращаются вокруг ядра почти как планеты вокруг Солнца в нашей Солнечной системе. (Резерфорд ничего не знал о квантовой механике, так что эта картинка серьезно отличается от реальной структуры атома – в этом мы вскоре убедимся.)

Дальнейшая работа, начатая Резерфордом и подхваченная другими физиками, показала, что сами ядра не являются элементарными частицами, а состоят из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Электрические заряды электронов и протонов равны по величине, но противоположны по знаку, поэтому атом, в котором протонов и электронов поровну (а нейтронов может быть сколько угодно) будет электрически нейтрален. Только с наступлением 1960–1970-х физики установили, что протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из более мелких частиц, именуемых кварками, которые удерживаются вместе благодаря глюонам – особым частицам, переносчикам сильного взаимодействия.

Можно сказать, что вся суть химии – в электронах. В ядре содержится основная масса атома, однако само ядро обычно ни в чем не участвует, не считая редких актов радиоактивного распада, реакций деления ядра или термоядерного синтеза. С другой стороны, электроны, вращающиеся вокруг ядра, – легкие и прыгучие, и именно благодаря тому, что им не сидится на месте, жизнь наша получается такой интересной. Два или более атомов могут делиться электронами, что приводит к образованию химических связей. Если правильно подобрать условия, то электрон может «передумать», в каком атоме ему находиться, – и в таких случаях происходят химические реакции. Электрон может даже вообще вырваться из заточения в атоме, пустившись в свободный полет в окружающей среде, – так возникает явление под названием «электричество». Если же встряхнуть электрон, то он инициирует вибрацию в окружающих электрических и магнитных полях, порождая таким образом свет и другие формы электромагнитного излучения.

Чтобы подчеркнуть идею о том, что частица это действительно точечный, а не просто крайне малый объект с ненулевым размером, проводится различие между «элементарными» частицами, находящимися в конкретных точках пространства, и «составными», которые на самом деле образуются из еще более мелких составляющих. Насколько известно в настоящее время, электроны – это подлинно элементарные частицы. Теперь понятно, почему в дискуссиях о квантовой механике постоянно говорят об электронах и приводят их в качестве примеров: это простейшие фундаментальные частицы, которые можно получить, а затем манипулировать ими, и они же играют центральную роль в поведении всей материи, из которой состоим и мы, и все, что нас окружает.

⚪ ⚪ ⚪

К огорчению Демокрита и его друзей, физики XIX века объясняли мир в терминах не одних только частиц. Вместо этого они предположили, что нужны две фундаментальные разновидности материи: частицы и поля.