Большинство людей, представляя себе атом, рисуют в воображении небольшое ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого двигаются один или несколько электронов. Это представление основано на интерпретации квантовой механики, основанной на частицах. Но для описания атомов в стандартных условиях его недостаточно.
Если вы хотите раскрыть секреты Вселенной, вам только и нужно, что допрашивать её, пока она не выдаст ответы в такой форме, в какой вы сможете их понять. При взаимодействии двух квантов энергии – будь то частицы или античастицы, массивные они или безмассовые, фермионы или бозоны – его результат в принципе может рассказать вам о правилах и законах, которым подчиняется эта система. Если мы будем знать о всех возможных вариантах результатов любого взаимодействия, включая их относительные вероятности – только тогда мы сможем говорить о том, что понимаем, что происходит.
Удивительно, но всё, что мы знаем о Вселенной, можно так или иначе привязать к самой скромной из всех известных нам сущностей: к атому. Атом – это мельчайшая единица материи, всё ещё сохраняющая уникальные характеристики макроскопического мира, такие, как физические и химические свойства. И при этом это фундаментально квантовая сущность, со своими уровнями энергии, свойствами и законами сохранения. Более того, этот непримечательный атом связан со всеми четырьмя известными фундаментальными взаимодействиями. В единственном атоме на самом деле можно увидеть всю физику. И вот, что она может рассказать нам о Вселенной.
От макроскопических до субатомных масштабов, размеры фундаментальных частиц играют небольшую роль в определении размеров композитных структур. Пока неизвестно, являются ли эти строительные кирпичики по-настоящему фундаментальными и точечными частицами, но мы понимаем, как устроена Вселенная от больших, космических масштабов до мелких, субатомных. В человеческом теле содержится порядка 1028 атомов.
Здесь на Земле существует около 90 элементов, появившихся естественным путём – в результате протекания создавших их космических процессов. По сути, элемент – это атом, чьё ядро состоит из протонов, (и возможно) нейтронов. Вокруг ядра находятся несколько электронов, чьё количество равно количеству протонов. У каждого элемента есть свой набор свойств, среди которых:
- твёрдость,
- цвет,
- температура плавления и кипения,
- плотность (количество массы на объём),
- проводимость (насколько легко электронам двигаться при появлении электрического напряжения),
- электроотрицательность (насколько сильно атомное ядро держится за электроны, будучи в связке с другими атомами),
- энергия ионизации (сколько энергии требуется на выбивание электрона),
а также множество других. Интересно, что определяет тип атома (и, следовательно, все его свойства) всего одна величина: количество протонов в ядре.
Разнообразие атомов и управляющие движущимися по орбите вокруг ядер электронами – идентичными частицами — квантовые правила позволяют без преувеличения сказать, что всё под Солнцем состоит из атомов – в том или ином виде.
Атомным и молекулярным комбинациям несть числа. Но конкретные комбинации этих составляющих, присущие определённому материалу, определяют его свойства. Принято считать, что алмазы – это самое твёрдое вещество на Земле, но на самом деле это и не самый прочный материал в принципе, и не самый прочный из природных материалов. На сегодня известно уже шесть более прочных материалов, и ожидается, что их количество будет только расти.
Каждый атом с уникальным набором протонов в ядре формирует уникальные связи с другими атомами, благодаря чему типов молекул, ионов, солей и более крупных структур может быть почти бесконечное количество. Друг на друга субатомные частицы воздействуют в основном при помощи электромагнитных сил. В итоге со временем формируются макроскопические структуры, которые мы наблюдаем не только на Земле, но и по всей Вселенной.
Общим свойством всех атомов является наличие у них массы. И чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем больше масса атома. И хотя это квантовые сущности, а диаметр одного атома не превышает одного ангстрема, дальность действия гравитации ничем не ограничена. Любой объект, обладающий энергией– включая и энергию покоя, придающую частицам массу – будет искривлять ткань пространства-времени согласно общей теории относительности Эйнштейна. Какой бы малой масса не была, каким бы ни было малым расстояние, кривизна пространства-времени, вызванная любым количеством атомов — будь то 1057 атомов в звезде, 1028 атомов в человеческом теле, или один атом гелия – будет происходить точно в соответствии с ОТО.
Появление массы в пустой трёхмерной решётке заставляет её линии искривляться определённым образом. Они как бы вытягиваются в сторону массы. Искривление пространства из-за гравитационного воздействия Земли – это один из способов визуализации гравитации, и фундаментальное отличие общей теории относительности от специальной.
Также в атомах есть электрически заряженные частицы. Протонам присущ положительный электрический заряд; нейтроны нейтральны; заряд электронов равен по величине и противоположен по знаку заряду протонов. Все протоны с нейтронами связаны в атомном ядре диаметром всего в 10-15 м (фемтометр), а электроны находятся в облаке в 100 000 раз большего размера. Каждый электрон находится на своём уникальном энергетическом уровне, и может переходить с уровня на уровень только с дискретным изменением энергии.
Это примечательно по двум причинам. Во-первых, когда один атом приближается к другому (или к группе атомов), они могут взаимодействовать. На квантовом уровне их волновые функции могут накладываться, и атомы связываются вместе в молекулы, ионы и соли. У этих связных структур есть свои уникальные формы и конфигурации электронных облаков. Соответственно, у них есть свои уникальные уровни энергии, поглощающие и испускающие фотоны только с определёнными длинами волн.
Атомные электронные переходы в атоме водорода и длины волн возникающих фотонов демонстрируют энергию связей и взаимоотношение электрона и протона в квантовой физике.
Эти электронные переходы в атоме или группе атомов уникальны: они свои для каждого атома или конфигурации из группы атомов. Обнаружив спектральные линии атома или молекулы – неважно, поглощения или испускания – можно сразу же сказать, что это за атом или молекула. Внутренние электронные переходы согласуются с уникальным набором энергетических уровней, и переходы электронов недвусмысленно свидетельствуют о типе и конфигурации атома/атомов.
По всей Вселенной атомы и молекулы подчиняются одним и тем же правилам: законам классической и квантовой электродинамики, управляющими всеми заряженными частицами. Даже внутри самого атомного ядра, состоящего из обладающих зарядом кварков и глюонов без электрического заряда, электромагнитные связи играют важнейшую роль. Эта внутренняя структура объясняет, почему магнитный момент протона почти в три раза сильнее магнитного момента электрона (и имеет противоположный знак), а у нейтрона магнитный момент почти в два раза больше, чем у электрона, и имеет тот же знак.
У самого низкого энергетического уровня водорода (1S) слева вверху очень плотное вероятностное электронное облако. У более высоких энергетических уровней облака похожи, но имеют более сложную структуру. Для первого возбужденного состояния есть две независимых конфигурации: 2S и 2P, у которых из-за почти неуловимого эффекта получаются разные энергетические уровни.
Хотя электрическое взаимодействие работает на довольно больших расстояниях – на самом деле, как и у гравитации, у него тоже нет никаких ограничений – электрическая нейтральность атома в целом играет невероятно важную роль в понимании поведения всей Вселенной. Электромагнитное взаимодействие невероятно сильно – два протона отталкиваются с силой, в 1036 раз превышающей их гравитационное притяжение!
Но поскольку привычные нам макроскопические объекты состоят из такого количества атомов, и поскольку атомы сами по себе электрически нейтральны, мы что-то замечаем, только если:
- у объекта имеется электрический заряд, как у заряженного электроскопа,
- когда заряд перетекает с места на места, как при ударе молнии,
- когда заряды разделяются, создавая электрический потенциал, как в аккумуляторе.
Один из простейших и интересных примеров этих процессов можно увидеть, натерев воздушный шарик о собственную футболку, а потом попробовать прислонить его к волосам или стене. Шарик прилипнет, поскольку переход или перераспределение небольшого количества электронов придаёт объекту заряд, способный преодолеть силу гравитации. Это силы Ван-дер-Ваальса, они действуют между молекулами, и даже объекты в целом нейтральные могут оказывать электромагнитное взаимодействие, которое на небольших расстояниях способно противостоять гравитации.
Если потереть два разных материала, к примеру, ткань и пластик, можно перенести заряды с одного на другой, в результате чего оба объекта окажутся заряженными.
На классическом и квантовом уровнях в атоме закодировано огромное количество информации, связанное с электромагнитными взаимодействиями, при этом «классической» (не квантовой) ОТО достаточно для объяснения когда-либо встреченных нами атомных и субатомных взаимодействий. Если забраться в атом ещё глубже, вовнутрь протонов и нейтронов, можно раскрыть природу и свойства оставшихся фундаментальных взаимодействий: слабого и сильного.
Опускаясь на фемтометровые масштабы, сначала вы начнёте замечать влияние сильного взаимодействия. Впервые оно проявляется между разными нуклонами – протонами и нейтронами, из которых состоит любое ядро. Электрическое взаимодействие между двумя нуклонами либо отталкивает их (заряды протонов одинаковые), либо не возникает (зарядов у нейтронов нет). Но на малых расстояниях работает взаимодействие, ещё более сильное, чем электромагнитное: сильное взаимодействие, работающее между кварками через обмен глюонами. Разные протоны и нейтроны могут обмениваться парами кварков-антикварков – мезонами – это связывает их в ядре, и при подходящей конфигурации преодолевает силу электромагнитного отталкивания.
Отдельные фотоны и нейтроны не обладают «цветом», а содержащиеся внутри них кварки – обладают. Обмен глюонами может происходить не только внутри протона или нейтрона, но и между протонами и нейтронами, благодаря чему возникают связи внутри ядра.
В глубине атомного ядра сильное взаимодействие проявляет себя по-другому: отдельные кварки постоянно обмениваются глюонами. Кроме гравитационного заряда (массы) и электромагнитного заряда, присущего материи, есть ещё и заряд, характерный для кварков и глюонов: цветной. Они не просто всегда притягиваются, как гравитация, или обладают двумя зарядами, которые могут отталкиваться или притягиваться, как электрические. У них есть три независимых цвета – красный, зелёный и синий – и три антицвета. Встречаются они только в «бесцветной» комбинации, в которой комбинируются все три цвета (или антицвета), или же сочетаются комбинации цвет-антицвет.
Удерживает протоны и нейтроны в целости обмен глюонами – в особенности, когда кварки отдаляются, и сильное взаимодействие увеличивается. Чем больше энергии вы можете передать через столкновение с субатомными частицами, тем больше кварков, антикварков и глюонов сможете увидеть. Похоже на то, будто бы внутренности протона заполнены целым морем частиц, и чем сильнее его бить, тем более липкими они становятся. Углубляясь на величину максимальной доступной нам энергии, мы всё равно не видим ограничения на плотность этих субатомных частиц внутри атомных ядер.
Протон – это не просто три кварка с глюонами. Это целое море плотных частиц и античастиц. Чем подробнее мы изучаем протон, чем больше энергии тратим на неупругие столкновения, тем больше внутренней структуры мы в нём находим.
Но не всякий атом способен вечно жить в стабильной конфигурации. Многие атомы испытывают радиоактивный распад – рано или поздно испускают на одну или несколько частиц, что фундаментально меняет их свойства. Самый распространённый вид распада – альфа-распад, при котором нестабильный атом выплёвывает ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Второй по распространённости тип – бета-распад, при котором атом выплёвывает электрон и антиэлектронное нейтрино, а один из нейтронов ядра превращается в протон.
Для этого требуется ещё одна новая сила: слабое ядерное взаимодействие. Зависит оно от своего типа заряда – слабого, представляющего собой комбинацию слабого гиперзаряда и слабого изоспина. Слабый заряд оказалось чрезвычайно сложно измерить, поскольку слабое взаимодействие в миллионы раз слабее сильного или электромагнитного – пока вы не перейдёте не чрезвычайно малые масштабы, типа 0,1% диаметра протона. Слабое взаимодействие можно наблюдать в подходящем атоме, готовом к бета-распаду. Получается, что все четыре фундаментальных взаимодействия можно прозондировать, просто изучая атом.
Схематичное изображение бета-распада массивного атомного ядра. Нейтрон превращается в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняются энергия и импульс.
Из этого следует нечто примечательное: если взять любую частицу Вселенной, даже пока не открытую, но подверженную одному из этих взаимодействий, она также будет взаимодействовать и с атомами. Через взаимодействия с частицами, находящимися внутри ничем не примечательного атома, мы открыли огромное количество частиц – в том числе, всяческие типы нейтрино и антинейтрино. Атом – это и то, из чего мы состоим, и окно в истинную природу материю.
Чем глубже мы заглядываем в строительные кирпичики материи, тем лучше мы понимаем и природу самой Вселенной. Только допрашивая Вселенную на предмет того, каким правилам подчиняются все частицы и античастицы, и как они связываются друг с другом, мы можем разобраться в её устройстве. И пока наука и технология, подвластные нам, позволяют зарываться всё глубже, обидно было бы отказываться от исследований только потому, что они не могут гарантировать нам какое-нибудь новое революционное открытие. Единственное, что известно точно: если мы не будем зарываться глубже, мы так ничего и не найдём.
