Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

Ученые имеют привычку задаваться вопросами, которые людям, далеким от науки, кажутся глупыми. Один из таких вопросов: «Почему мы не проваливаемся сквозь пол?» Есть даже книга с подобным названием. Но ведь житейский опыт говорит нам: пол — это твердая поверхность, чья единственная задача — не дать нам провалиться сквозь нее. Это то минимальное требование, которое мы предъявляем к любому полу. Однако за дурацким, казалось бы, вопросом кроются наши знания о полах и о том, как они устроены, а эти знания, вообще говоря, противоречат здравому смыслу.

Поскольку полы состоят из атомов, именно знание природы атомов заставляет нас задавать этот вопрос.

Идея об атомах как о простейших составляющих материи насчитывает уже около двух с половиной тысяч лет, но большую часть этого времени человечество скорее воображало, чем реально понимало, что такое атомы. Они представлялись людям твердыми, плотными шариками. И только в XX столетии сформировалась более точная картина устройства атомов, которая, впрочем, пока полна загадок и наглядно демонстрирует, чем плохи попытки представить себе физические или математические понятия в виде картинок.

Нынешняя «картина» атома, возникшая после целого столетия исследований и опытов, представляет собой следующее: в центре твердое ядро шириной в одну единицу (о том, что я понимаю под единицей, мы поговорим чуть позже), а вокруг — облако куда более легких частиц, электронов. Радиус этого облака — до 30 000 единиц и больше. Более 99,9 % массы атома приходится на ядро, так что между ядром и наружной «поверхностью» атома почти ничего нет. Даже об электронах нельзя сказать, что они на самом деле находятся в этом пространстве. Хотя они порой могут вести себя как крошечные твердые шарики, в реальности электроны, как понимают это ученые, являют собой облако неравномерной плотности: где облако поплотнее — там, вероятнее всего, и пребывает электрон. Он «существует» лишь в тот кратчайший момент, когда ученому, использующему какое-нибудь точнейшее устройство, удается добиться того, чтобы от этого электрона «отскочил» какой-нибудь другой или чтобы от него отразилась волна некоего излучения: тогда и только тогда наш электрон не только объявит о своем местонахождении — он словно бы материализуется в результате наблюдения, прежде чем снова исчезнуть в облаке вероятностей.

Это как если бы некая дама, член английского парламента, существовала в виде облака — очень плотного в районе ее дома и палаты общин, чуть менее плотного в торговом центре рядом с ее домом, еще менее плотного в ее фитнес-клубе и уж совсем жиденького где-нибудь в трущобах Глазго или в высочайшей точке Великобритании, на горе Бен-Невис. Но самой ее не было бы нигде, пока вдруг кто-то не налетел бы на нее, и тогда облако немедленно уплотнилось бы, и мы увидели бы сорокалетнюю женщину в стильном костюме.

Но вернемся к атому. Если бы его ядро было размером с апельсин диаметром десять сантиметров, то край электронного облака — точка, за которой возможность обнаружить электрон становится исчезающее мала, — будет находиться где-то на расстоянии от трех до тридцати километров. Получается, в любом твердом теле, состоящем из атомов (например, в полу), 99 % объема пустует, и это тело — словно обширная равнина, на которой на расстоянии многих километров друг от друга разбросаны апельсины, а вокруг витают облачка почти ничего не весящих электронов.

В реальности, если отвлечься от апельсинов и километров, единица, которой пользуются для измерения атомов, называется «фемтометр», это 10 в минус пятнадцатой степени метра. Диаметр ядра составляет около фемтометра, а радиус атома — около 100 000 фемтометров, то есть чтобы выложить линию длиной в один метр, потребуется десять миллиардов атомов.

Теперь мы с вами пониманием, как вообще возник вопрос: «Почему мы не проваливаемся сквозь пол?» Возможно, в нем гораздо больше смысла, чем вам казалось сначала. Ведь не только «твердый» пол по большей части состоит из пустоты: в туфлях, которые на нем стоят, и в ногах, обутых в эти туфли, и в самом человеке — то же самое соотношение пустоты и массы. Так почему два этих объекта, в основном состоящие из пустого пространства, не проходят друг сквозь друга, как два флота, корабли которых разделяют километры, идущие навстречу друг другу по Ла-Маншу?