Законы Ньютона предсказывают, что движение шаров, сделанных из материи, будет идентично движению шаров из антиматерии: миллиарды атомов ведут себя так, как будут вести себя и антиатомы. Однако именно внутри отдельных атомов заключается биполярная природа материи, и именно так правят квантовые законы. Если соединить квантовые законы с теорией относительности Эйнштейна, становится ясно: одной формы материи недостаточно. Акт созидания во время Большого взрыва должен был привести к двум уравновешенным вариантам.
Атомы часто описывают как миниатюрные солнечные системы, а электроны – как планеты, которые кружатся вокруг ядра-солнца: нечто маленькое вращается вокруг чего-то большого в центре. Однако с тех пор, как была предложена эта картина, начались споры.
Земле требуется год для того, чтобы обойти вокруг Солнца, и она вращается так уже свыше четырех миллиардов лет. Сравните это с электроном в атоме водорода, который очевидно обходит находящийся в центре протон примерно за одну сотую скорости света и каждую секунду совершает около триллиона вращений. Можно выразить это и по-другому: за одну миллионную долю секунды электрон оборачивается вокруг находящегося в центре протона большее количество раз, чем Земля совершила оборотов вокруг Солнца за всю историю своего существования.
Эти идеи начали появляться в начале ХХ столетия, и существовала теория, что электрон может эмитировать такое электромагнитное излучение, что оно сразу же будет направлено в ядро в виде вспышки света. Но как тогда атомам выжить? Как они вообще смогли бы существовать?
Ответ дала квантовая теория. Когда речь идет о расстояниях, меньших миллионной доли миллиметра (это масштабы атомов), не следует руководствоваться опытом жизни в реальном мире. Он не может подсказать нам, что происходит.
Макс Планк (1858–1947) – немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики
В 1900 году Макс Планк показал, что световые волны эмитируются в микроскопических «квантах» энергии, известных как фотоны. В 1905 году Эйнштейн показал, что свет в них остается, путешествуя в пространстве. Это послужило началом квантовой теории, идеи о том, что у частиц могут быть обманчивые и переменные свойства, они не тут и не там, а «наиболее вероятно, здесь, но может, и там». В квантовой механике определенность заменяется вероятностью, она то увеличивается, то уменьшается. Успехом было объяснение того, как выживают атомы.
Квантовые волны можно представить в виде волн, накатывающих на кусок веревки. Представьте веревку, свернутую в лассо, на многослойной петле представьте цифры, как на часах. Если самая большая волна наблюдается в двенадцать, а спадает в шесть часов, то следующий пик получается в двенадцать. Однако если самая большая волна накатывает в двенадцать, а спад наблюдается в пять, то следующий пик будет в десять, и двенадцать уже не соответствует ритму волны. В 1912 году датский физик Нильс Бор понял, что эти волны электронов, циркулирующие в атомах, должны также идеально подходить каждой петле. Электроны не могут отправляться куда хотят, но могут двигаться теми путями, под которые идеально подстраиваются их волны. В частности, они не могут двигаться по спирали, подойти к ядру и разрушить его. Атом стабилен.
Нильс Бор (1885–1962) – датский физик-теоретик, создатель первой квантовой теории атома
Квантовые волны также объяснили тайну, которой было два века от роду: атомные спектры. Относительно просто вытрясти свет из атомов и заставить показать их уникальные спектры. Это можно сделать, добавив какой-то элемент, например, натрий к огню, и смотреть на свет сквозь призму или дифракционную решетку, в результате чего свет разделяется на составляющие его цвета-компоненты. Получится серия ярких линий, в случае натрия будут две особенно яркие желто-оранжевые. Это знакомый нам цвет уличных фонарей. Если мы возьмем пары ртути, то цвет будет голубовато-зеленым, у звезд – розовый, что объясняется способностью водорода эмитировать видимый свет с дальнего конца красной полосы радуги. Эти красивые цвета требовали объяснения. Благодаря чему они получаются? Почему они варьируются у разных элементов? Теперь мы знаем, что они являются результатом квантовых движений электронов внутри атомов.
Свет излучается, только когда электрон переходит с одного пути на другой (с одной петли на другую). Если изначальный путь принимал только электроны с высокой энергией, а электрон переместился на путь, где энергия ниже, разницу между двумя энергиями забирает фотон света, который излучается. Общая энергия остается той же самой, просто она перераспределяется. Таким образом, у фотонов могут быть конкретные количества энергии – определяемые «прыжками», которые может совершить электрон. Наши глаза видят разные ценности энергий фотонов как разные цвета. В результате излучаемый свет дает спектр цветов, который является уникальным для каждого атомного элемента. Именно благодаря этим цветовым «автографам» можно сказать, какой атомный элемент присутствует в космосе, когда космос направляет на нас свои лучи. Эти цветовые модели являются видимым доказательством того, что квантовые волны упорядоченной случайности правят в субатомном мире фундаментальных частиц.
Электрон
Название «электрон» происходит от греческого слова, означающего «янтарь». В Древней Греции естествоиспытатели проводили эксперименты с кусками янтаря – их терли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Первым слово «электрон» использовал Джордж Стони, в дальнейшем его стал использовать и Джозеф Джон Томсон, о котором мы расскажем ниже. Это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона неделим, впервые он был измерен русским физиком А. Ф. Иоффе в 1911 году и американским физиком Робертом Милликеном в 1912 году. Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц, хотя, в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берется с положительным знаком.
Датой открытия электрона считается 1897 год – в этом году Джозеф Джон Томсон поставил эксперимент по изучению катодных лучей. Томсон долгие годы возглавлял Кавендишскую лабораторию в Кембридже, к этому периоду относятся все исследования Томсона по прохождению электричества через газы, за которые он получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году.
Вопрос природы катодных лучей занимал Томсона на протяжении многих лет, он всегда склонялся к тому, что эти лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, исходящих из катода, в отличие от ряда немецких физиков, которые считали, что это волны, проходящие в эфире. На мнение Томсона влиял, в основном, тот факт, что лучи отклонялись в магнитном поле в поперечном их движению направлении.
Джозеф Джон Томсон (1856–1940) – английский физик, один из основоположников классической электронной теории металлов
Вначале ученый считал, что заряженные частицы были молекулами или атомами. Но измеряя магнитное отклонение количественно, он начал сомневаться в правильности этой точки зрения, поскольку отклонение было существенно больше, чем предсказывала гипотеза. Совмещая данные по электростатическому и магнитному отклонению, он смог получить скорость частиц в лучах и отношение их заряда к массе. Это значение оказалось отличным от найденного для атомов водорода при электролизе. Предполагая, что заряд был одним и тем же в обоих случаях, из экспериментальных данных следовало, что масса частиц катодных лучей была очень мала по сравнению с массой атома водорода. Томсон приблизительно подтвердил это значение отношения массы к заряду калориметрическим измерением энергии, переносимой лучами одновременно с передаваемым ими зарядом.
К этому времени еще не ставилось ни одного эксперимента, в котором можно было бы одновременно определить и заряд, и отношение массы к заряду частицы катодного луча. Томсон увидел возможность одновременного определения этих величин для частиц, уносящих отрицательный заряд при попадании ультрафиолетового излучения на цинк. Он разработал метод определения отношения массы к заряду для них и заряда одной частицы методом капельной конденсации. Целью эксперимента было однозначно показать: эти частицы имеют массу порядка одной тысячной от массы водорода и заряд, равный заряду атома водорода в электролизе. В первых публикациях на эту тему Томсон еще не использовал слово «электрон», он называл эти частицы «корпускулами».
Питер Зееман (1865–1943) – голландский физик. Исследователь воздействия магнитного поля на спектральные линии источника излучения. Открыл эффект, известный теперь под названием «эффекта Зеемана»