Физика и астрофизика: краткая история науки в нашей жизни

Атомное начало

Впервые мысль о том, будто все вещество состоит из мельчайших неделимых частичек, выдвинули философы Древней Греции. Как они пришли к этой странной мысли?

Оказывается, для некоторых открытий не нужны ни микроскопы, ни ускорители, ни высшая математика. Достаточно житейского ума и логики. Следите за мыслью древних греков, и вы сейчас почувствуете себя каким-нибудь Аристотелем или даже хуже – Сократом…

Греки, у которых, видать, образовалась масса свободного времени, пока рабы трудились в полях, однажды, прогуливаясь в тогах под оливами на фоне ярко-синего моря, задумались: а насколько вообще делимо вещество? Современный человек, привычный к бесконечностям, может махнуть рукой: да оно бесконечно делимо! Всегда можно расколоть самую маленькую крошечку на две поменьше!

Вот тут и возникает проблема. Потому что если мы поднатужимся и представим себе некую условную «самую маленькую частицу вещества», мы и вправду можем спросить: а вдруг она состоит из еще более мелких деталек, между которыми – пустота?

Собственно говоря, даже исходя из современных представлений об устройстве вещества, атом практически пуст внутри – если атом увеличить до размеров олимпийского стадиона, ядро атома будет с футбольный мяч, а крайние орбиты электронов, кружащихся вокруг ядра, пройдут по последним рядам сиденьев. Причем сами электрончики будут размером с маковое зерно. А все остальное в атоме – это пустота!

Если теперь взять ядро атома, в коем и сосредоточено 99,9 % массы вещества, то мы увидим, что оно состоит из более мелких частичек – протонов и нейтронов. А между ними – опять пустота? Но если дробить детали до бесконечности, то мы увидим, что ни черта в материи нет, кроме пустоты. Нету ее, материи!

– Значит, – рассудили древние греки, – должны быть какие-то мельчайшие неделимые твердые частички материи, чтобы материя все-таки существовала, раз уж она есть.

И назвали они эти мелкие неделимые частицы атомами. Потом наука узнала, что атомы не являются неделимыми кусочками материи, атомы можно разобрать. Они состоят из так называемых элементарных частиц. Элементарных – значит по-настоящему неделимых.

Как это неделимых!? Позвольте!.. А если по ним хорошенечко шарахнуть чем-нибудь? Ну, например, такими же частицами, чтобы разломать и посмотреть – может, там еще какие-то детали есть?

Шарахнули. И неоднократно. Собственно, те самые огромные ускорители, которые строят за бешеные деньги физики по всему миру, включая знаменитый адронный коллайдер, для того и нужны, чтобы разгонять элементарные частицы и шарашить их друг о друга. Одни частицы здесь выступают в роли молотков, другие – мишеней.

Так вот, выяснилось, что частицы, называемые элементарными, и вправду элементарны – они не разваливаются на детали. Они или превращаются в другие частицы, или же в экспериментах образуется целая куча дополнительных частиц, больше, чем было! Из чего они образуются? А из энергии (скорости), которую физики придали частицам-молоткам, когда их разгоняли для удара по частицам-мишеням. Оказалось, масса и энергия – это одно и то же. Впрочем, об этом мы еще поговорим позднее, а пока вернемся к делимости и неделимости.

Несмотря на составную структуру, атомы и даже более крупные частицы вещества, состоящие из нескольких атомов и именуемые молекулами, и вправду можно назвать в каком-то смысле неделимыми! Потому что они на самом деле являются мельчайшими частицами данного вещества! И если молекулу развалить, ее части уже не будут обладать свойствами исходного вещества – вот что имеют в виду, когда говорят о неделимости. Это как если автомобиль на запчасти разобрать – машины уже не будет, и, хотя все детали останутся на месте, никуда на них уже не уедешь, потому что потерялась взаимосвязь, организация.

Если молекулу воды разобрать на части, то Н2О уже не будет, а получится одна молекула кислорода и пара молекул водорода. Если же разобрать самую маленькую частицу водорода – его атом, то получатся элементарные частицы, а не водород.

Древние греки были парни головастые и уже знали, что из двух разных веществ можно сделать третье – с совершенно другими свойствами, которыми не обладают первые два. Ну, например, можно в расплавленную медь добавить другой металл – олово. И получится сплав под названием «бронза», который обладает особой твердостью и текучестью, которыми ни медь, ни олово по отдельности не обладают.

Но отсюда один шаг до следующей идеи – а может, все вещества в мире тоже состоят из каких-то более простых элементов, как та же бронза, сделанная из меди и олова? И быть может, элементов этих не так уж много? Как из цветной мозаики или нескольких красок можно сделать бесконечное множество картин, как из малого числа букв можно сделать сотни тысяч слов и миллионы разных книг, так и из ограниченного числа природных элементов складывается бесконечное множество веществ?

Богатая идея!

Греки решили, что все огромное разнообразие самых разных веществ в мире на самом деле состоит их четырех простых элементов – земли, воды, огня и воздуха – в разных сочетаниях. Они это просто придумали. Высосали из пальца. И, конечно, ошиблись, но их ошибка была воистину гениальной! Ведь греки сделали большой шаг вперед – отказались от мифологических, религиозных объяснений и применили к познанию мира научный принцип анализа: начали говорить о разложении и взаимопревращении разных веществ. Направление их мысли оказалось верным, и в дальнейшем наука подтвердила: действительно все многообразие мира складывается из простейших составляющих. Эти простейшие вещества так и назвали «элементарными веществами» или просто «химическими элементами».

Периодическая таблица элементов Менделеева вот как раз про это! Сколько там химических элементов, припоминаете?.. Порядка сотни клеточек с латинскими буквами – вот столько во вселенной деталек мирового конструктора. Не так уж мало! Во всяком случае, не пять, как думали греки.

Многие из элементарных химических веществ вы прекрасно знаете. Золото, например. Железо. Свинец. Вообще все известные металлы – это химические элементы, то есть простейшие вещества. И многие газы.

А вот сталь – это сплав двух элементов – железа и углерода. В чистом виде железо нигде не используется, поскольку оно мягкое. Углерод вы тоже прекрасно себе представляете, он является основой угля (поэтому так и называется – «углерод», то есть «рождающий уголь»). Соединение железа и углерода дает нам сталь или чугун (в зависимости от количества добавленного в железо углерода, если мало углерода – сталь, много – чугун).

Воздух, которым мы дышим, тоже «сплав», точнее, смесь разных газов, среди которых кислород, азот и углекислый газ. Кислород и азот – химические элементы, то есть простейшие вещества. А вот углекислый газ – сложное вещество, состоящее из двух простых элементов – кислорода и углерода: СО2.

Читатель может спросить:

– А чего это мы вдруг в химии оказались, начав с физики?

А потому что химия – это, по сути, раздел физики. Собственно говоря, настоящей наукой химия, возникшая из средневековой алхимии, стала только тогда, когда была открыта таблица Менделеева и пришло понимание того, что же, собственно говоря, эта таблица описывает. А описывает она чистую физику – как устроено вещество в самых своих основах…

Что же получается?

Получается, что атомы – это детали конструктора, из которых собираются молекулы разных веществ. Деталек довольно много, около сотни, но все же их ограниченное количество. Однако из них можно собрать тысячи, миллионы разных конструкций! Самые сложные молекулы содержатся в нашем теле. Они могут состоять из миллиардов атомов, как, например, молекула ДНК.

Возьмем классический школьный пример – поваренную соль. Она сделана из двух «деталек» – металла по имени натрий и газа по имени хлор: NaCl. Натрий – очень редкий и мягкий металл, его можно ножом резать. Если кусок натрия бросить в воду, то лучше сразу отбежать подальше. Потому что натрий зашипит, начнет бегать по поверхности воды, выделяя белый дым, затем вспыхнет и загорится ярким пламенем, а потом и вовсе взорвется, если кусок достаточно велик. Очень активный металл!

А хлор – ядовитый газ. Его во время Первой мировой войны применяли для удушения противника. И каков фокус! Из двух таких крайне агрессивных веществ получается вполне безобидная и даже полезная в малых дозах соль.

Таблица Менделеева – это химическая палитра. Это краски, которыми нарисован мир

Металл – блестящий, взрывающийся, он проводит электрический ток. Газ – ядовитый, зеленоватый и летучий. А соль? Вы ее прекрасно видели – белая, неопасная, не летучая и не ядовитая, ее можно есть. И никакого электрического тока она не проводит. Совершенно другие свойства!..

Вывод: древние греки считали атомы неделимыми мельчайшими единицами вещества и были правы – действительно химическое вещество далее неделимо в том смысле, что при разрушении атома исчезает химический элемент. Но ведь в принципе-то атом есть составная структура, как мы знаем. Давайте его разберем!

Как устроен атом и вообще весь мир

Итак, атомы химических элементов – это детали мирового конструктора. Но эти детали, в свою очередь, устроены из более мелких деталек. И этих деталек всего три.

Гуманитариям, напрочь забывшим школьный курс, трудно в это поверить, но все многообразие окружающей нас природы, все, что мы видим вокруг, – это лишь разные наборы всего трех элементарных частичек.

Вы, наверное, вспомните, как они называются. Не можете не вспомнить! Вот она, наша святая троица – протон, нейтрон и электрон. Познакомимся же с ними поближе. И начнем с электрона, его физики открыли самым первым.

Что мы можем о нем сказать? Какого он цвета? Он шершавый? Он влажный, твердый, газообразный? Он теплоемкий?

Нет! Все те свойства, к которым мы привыкли в нашем макромире, не имеют никакого отношения к миру элементарных частиц (микромиру). Нет в микромире ни цвета, ни запаха, ни шершавости, ни твердости, ни теплоемкости. Это все свойства макромира. Все эти свойства складываются из множества частиц, это макросвойства. А по отдельности частицы этих свойств не имеют.

А что же они имеют? Ну, должны же быть у электрона какие-то свойства, иначе бы его не существовало! Ведь существовать – это значит проявлять себя как-то, то есть иметь свойства!

Да, некоторые свойства у электрона есть. У него, например, есть размер. Радиус электрончика равен 2,81794×10–13 см.

У него есть масса. Электрон имеет массу 9,10938291×10–13 кг. Электрон в 1820 раз легче протона. Для сравнения: если протон – это танк, то электрон – это одна канистра с топливом. Если протон – человек, то электрон – это авторучка в его кармане. Вот такая разница в массе.

Кстати, а что такое масса? Масса – это просто количество вещества. Массу не нужно путать с весом, это совершенно разные вещи. Вес – это сила, с которой Земля притягивает массу. Сила, с которой массивное тело давит на опору, на которой лежит, или растягивает подвес, на котором висит. В космосе, в невесомости никакого веса нет, потому невесомость так и называется. Но все равно даже в невесомости толстый космонавт гораздо массивнее щуплого. И если они оттолкнутся друг от друга, то полетят в разные стороны с разными скоростями – толстый медленно, а щуплый быстро! Потому что количество вещества в их телах разное, в толстом вещества много, а в худом – кот наплакал. Масса измеряется в килограммах, а сила в ньютонах. Массу определяют с помощью весов, а силу с помощью специальных приборов – ньютонометров.

Электрон можно представить себе как маленький шарик, который вращается вокруг своей оси. Причем, как вы понимаете, летящий электрончик может вращаться или в одну сторону по отношению к направлению своего полета, или в другую, как это показано на рисунках ниже. И это тоже одно из свойств электрона – левое вращение или правое. По-научному вращение электрона называют спином. Спин – это собственное вращение электрона, от английского слова «spin» (вращение).

Вращение летящего в направлении стрелки электрона может быть правым или левым

Если в винтовочном стволе правая нарезка, то вылетевшая из ствола пуля будет иметь вращение вправо. А если левая – влево. Теперь представьте, что мы стреляем в мишень, свободно закрепленную в центре и могущую вращаться. В этом случае пули с правым вращением, впиваясь в мишень, будут передавать ей свое вращение, постепенно раскручивая в ту же сторону – примерно как отвертка крутит винт. Если мы не знаем, в какую сторону крутятся вылетающие из ствола пули, можно поставить опыт, стреляя по крутящейся мишени. В какую сторону она завертится, в такую и пули крутятся. Это и есть спин

А теперь признаемся честно: приведенные выше картины – чистая условность, с помощью которой физики, школьные учителя и авторы популярных книжек объясняют людям, что такое спин. На самом деле спин совершенно неправильно представлять себе как собственное вращение электрона! Хотя бы потому, что если шарик электрона мы представим вращающимся вокруг своей оси, то его экваториальные области будут двигаться быстрее скорости света, что невозможно. Да и шариком электрон можно назвать лишь очень-очень приблизительно, о чем мы еще поговорим далее. В общем, спин – это малопонятная и непредставимая квантовая характеристика электрона. Которую можно лишь отдаленно уподобить вращению.

Но спин – это сущая ерунда по сравнению с последним и самым загадочным свойством электрона. Свойство это называется зарядом. Но заряд не в том смысле, что электрон чем-то заряжен, как винтовка патроном, потому что патрон из винтовки можно вынуть. А этот загадочный заряд из электрона вынуть нельзя. Он ему присущ, он его часть. Он – главное его свойство. Электрон, собственно говоря, и есть элементарный заряд!

Что же такое заряд по сути своей?

Этого никто не знает. Но зато мы знаем, как загадочный заряд проявляет себя.

Давным-давно люди заметили, что если кусочек янтаря натереть шерстяной тканью, он начнет притягивать маленькие кусочки бумажки и легкие предметы. На указанное явление впервые обратили внимание те же древние греки. По-гречески янтарь – «электрон». И вы, наверное, уже догадались, что за притягивание бумажек отвечают электроны, раз эти частички физиками были названы в честь янтаря.

Действительно, в этом простом эксперименте человечество впервые столкнулось с действием электрических сил, которые обусловлены электрическим зарядом.

Теперь-то мы к электричеству привыкли. Теперь мы без него жить не можем. Теперь у нас кругом розетки. Теперь нас просто окружает электричество, без коего и шагу не ступить – все работает на электричестве. А линии электропередачи исправно доставляют потребителям электрический ток, который вырабатывается электростанциями.

А что такое электрический ток?

Нет ничего проще! Поток электронов – вот что такое электроток. Как река – это течение триллионов и биллионов молекул воды по руслу, так и электрический ток – это течение миллиардов электронов по металлическому проводу. Греки добывали чуть-чуть электричества, натирая шерстью янтарь. У нас же теперь – целые электростанции, которые занимаются производством электроэнергии в промышленных масштабах, и никто там не сидит и шерстью ничего не натирает – турбины работают!

Короче говоря, заряд электрона – это некое свойство, которое проявляет себя тем, что один заряд притягивается к другому заряду. Или отталкивается. Существуют два вида зарядов – положительный и отрицательный. Ничего положительного и отрицательного в бытовом смысле в них нет, они не хорошие и не плохие, просто их так назвали когда-то, да и все.

Электрон является носителем отрицательного заряда, а протон – положительного. Разноименные заряды притягиваются друг к другу, одноименные отталкиваются. Это прекрасно видно на рисунке.

Вот так мы и к протону незаметно перешли. Посмотрим-ка на него внимательно.

Если электрон маленький, легонький и электроотрицательный (минус), то протон большой, тяжелый и электроположительный (плюс). Полная противоположность! При этом протон и электрон притягиваются друг к другу.

А почему, собственно говоря, разноименные заряды притягиваются? И почему одноименные отталкиваются?

Этого никто не знает, потому что никто не знает, что такое заряд. Понять, почему так происходит, на современном этапе развития науки нельзя, к этому можно только привыкнуть. Привычка вполне заменят понимание. Можно сказать, что привычка и есть понимание.

Электрон и протон – на вид очень разные. И масса, и размер у них разные. А вот заряд одинаковый – заряд протона в точности равен заряду электрона, только знак имеет противоположный. И вообще протон и электрон – это минимальные порции заряда.

Притяжение и отталкивание электрических зарядов

Поскольку плюс и минус притягиваются, протон и электрон притягиваются друг к другу и могут образовать пару, напоминающую звездную систему. Только в звездной системе планета кружится вокруг светила, а тут электрон будет кружиться вокруг протона.

Самая простая подобного рода система состоит из одного протона, вокруг которого крутится один электрон.