Разговоры с таксистами о жизни и устройстве Вселенной

Альфа-частицы – а точнее, положительно заряженная форма гелия, содержащая два протона, два нейтрона и ни одного электрона, – устремились в золотой лист. При этом Гейгер и Марсден использовали свою машину для подсчета количества частиц, проникших сквозь лист. И они обнаружили нечто удивительное: большинство частиц прошли прямо через золото, но крошечная часть – нет. Вместо этого они отразились под большими углами или вернулись прямо в сторону излучателя. Единственное возможное объяснение этих наблюдений: что-то оттолкнуло частицы. И это что-то должно было быть положительно заряжено, так как одинаковые заряды отталкиваются друг от друга. Но почему только несколько альфа-частиц – частиц положительно заряженного гелия – отразились, тогда как подавляющее большинство пролетело прямо сквозь лист золотой фольги? Как альфа-частицы смогли пробить твердое золото?

Лучшим объяснением было то, что золото все-таки не является твердым. Его атомы содержат положительно заряженную составляющую – ядро, но оно настолько мало по сравнению с размером атома в целом, что альфа-частицы редко с ним взаимодействовали. Когда Резерфорд провел расчеты, он обнаружил, что размер ядра составляет примерно одну десятитысячную размера атома, а это означает, что более 99 % объема атома представляют собой пустое пространство, если говорить об альфа-частицах. Другими словами, атом в итоге оказался не сливовым пудингом – не положительно заряженной средой, испещренной отрицательно заряженными электронами, – а положительно заряженным центральным узлом, почти ничем не окруженным, с несколькими крутящимися вокруг него электронами.

Новая модель атома Резерфорда, о которой было объявлено в 1911 году, стала революционной, но оставила нетронутыми некоторые прежние убеждения. В частности, у Резерфорда не было причин сомневаться в твердости ядра или самих электронов. В то же время Нильс Бор, работая в Дании, углублял наши знания об электронах способами, которые, казалось, также подтверждали старые представления о твердости материи. Бор обнаружил, что электроны могут обладать только определенным, дискретным количеством энергии – скажем, одной единицей энергии или десятью, но не каким-либо промежуточным значением. Это как если бы вы могли только ходить или бегать, но не идти спортивным шагом. Хотя это открытие могло показаться эзотерическим, оно имело большое значение, так как конкретизировало новое видение атома. Открытие Бора также предполагало, что расположение электронов, окружающих ядро Резерфорда, неслучайно: скорее, электроны вращаются вокруг ядра на расстоянии, определяемом их конкретными энергетическими уровнями.

Эта мысленная картинка атома идеально согласуется с нашими представлениями о том, как планеты вращаются вокруг Солнца, прекрасно показывая связь между физикой в самом большом и самом маленьком масштабах. Человеческий разум любит такого рода сравнения, потому что они привносят элегантность и структуру в наши знания, в данном случае указывая на непротиворечивое устройство всей природы, от космического до атомарного уровня. Таким образом, это было свидетельством того, что атом можно потрогать, увидеть и понять почти так же, как и все остальное вокруг нас.

Однако, как выяснили ученые, природе нет дела до наших изящных историй. Бор был прав насчет дискретных энергетических уровней электронов, но другие эксперименты показали, что у этих крохотных частиц все-таки не такие аккуратные орбиты и что атом не является Солнечной системой в миниатюре. В самом деле, у электронов не только нет жестких орбит, но и они сами не жесткие. Это потрясающее открытие было сделано благодаря французскому физику Луи де Бройлю, который доказал, что электроны обладают раздвоением личности: иногда они ведут себя как крошечные шарики из твердой материи, которые так легко вписываются в наши старые представления о мире, но иногда ведут себя как волны, рябь на поверхности пруда. Это был большой вызов обычным представлениям о материи, поскольку мы не воспринимаем колебания волн и дискретное существование частиц как одно и то же.

Все же можно убедить себя, что объект может себя вести иногда как частица, а иногда – как волна. В конце концов, вода бывает жидкой при достаточно высокой температуре и твердой при низкой температуре. Но чем дальше, тем удивительнее, так как ученые вскоре обнаружили, что электроны не становятся попеременно то частицами, то волнами. Они являются и тем и другим все время, и можно вывести на первый план любой из этих атрибутов в зависимости от того, какие эксперименты вы проводите.