Чтение онлайн

В общем случае имеется огромное количество возможных путей из А в Б (включая и такие, на которых частица изменяет массу, и даже такие, где частица движется назад во времени!). Причем для любого маршрута обычно найдется такой, который заканчивается стрелкой, ориентированной в противоположном направлении, – другими словами, оба пути «отменяют» друг друга. Рассуждая таким образом, можно распределить все пути попарно и показать, что они не дадут почти никакого вклада в итоговую вероятность прибытия частицы в точку Б. Единственное место, где такая процедура не будет работать, – это область вблизи кратчайшего пути между точками А и Б. Кратчайший путь частицы – это такой, проходя по которому стрелка поворачивается наименьшее количество раз, и для всех подобных маршрутов стрелки будут указывать в одном и том же направлении [11] . Поскольку стрелки ориентированы почти одинаково, они складываются, и итоговый результат суммирования по всем путям определяется именно их вкладом. Вклад же от почти уравновешивающих друг друга остальных стрелок пренебрежимо мал. Таким образом, мы можем определить наиболее вероятное поведение частицы и вычислить соответствующую вероятность ее попадания из пункта А в пункт Б. Если мы установим какое-нибудь препятствие, преграждающее кратчайший путь, например экран со щелями (см. выше), то придется пересчитать сумму по траекториям (т. е. интеграл по траекториям). При этом частица будет вести себя по-другому, подвергаясь интерференции, дифракции и другим волновым эффектам, – в точности так, как мы наблюдали в нашем эксперименте. Выполнив математические вычисления, мы получим результат, согласующийся с экспериментом, и этот результат включает в себя не только волновые, но и корпускулярные характеристики частицы, например явление фотоэффекта.

Все это трудно сразу усвоить, и как только лоцман покидает нас, члены команды возвращаются к своим привычным занятиям с задумчивыми лицами. В землях, которые мы будем исследовать, мы столкнемся с объектами, которые противоречат нашим обыденным представлениям о волнах и частицах. Но тогда что представляют собой в действительности эти объекты? Нас ждет неизведанная область. Мы будем продолжать использовать слова «частица» и «физика частиц», но при этом будем помнить, что встреченные нами частицы будут сильно отличаться от тех, которые мы раньше себе представляли. Ведь теперь мы знаем, что частицы – это возбуждения энергии квантовых полей. Концепция квантового поля широко распространена в современной физике и очень полезна для той карты, которую мы хотим начертить. Мы будем плыть по океану, в котором разбросаны материки и континенты, представляющие собой разные физические теории, которые мы будем исследовать в нашем путешествии. Лодка – это, конечно, просто лодка, и она ведет себя как большая частица, а не как квантовое возбуждение. Если ее маршрут и покажется кому-то странным, то он не исчезнет, складываясь с другой квантовой версией движения этой же лодки, в которой часы будут показывать другое время. Тем не менее, штурман очень постарается избрать кратчайший путь, который приведет нас к земле Атома.

Будем готовы к тому, что объекты, с которыми мы столкнемся, будут странной смесью волны и частицы. И с этой мыслью мы подходим к берегам земли Атома с уверенностью, но не без волнения; мы полны жажды познания и, как нам кажется, вполне подготовлены для исследования этой земли. Мы высаживаемся на берег и далее продолжаем путь пешком.

Атом – это мельчайшая неделимая частичка химического элемента. Вспомните стекловолокно нашей лодки и кремний, из которого сделаны эти волокна. Мы уже мельком заглянули внутрь атома кремния, понаблюдали за ядром и особенно за электронами вокруг ядра. Если бы мы глубже проникли в атом кремния, то увидели бы много интересного [12] . Однако это был бы уже не кремний. Материалы, с которыми мы встречаемся в быту, состоят из разных химических элементов, каждый из которых представляет собой атомы разного вида, связанные между собой в молекулы. Идея о существовании неделимых «строительных кирпичиков» вещества восходит еще к древним грекам, но подтвердить, что атомы действительно существуют, удалось только в результате тщательных исследований на протяжении двух последних столетий. Большая часть этих исследований была сделана не напрямую, с помощью инструментов с высокой разрешающей способностью, способных зондировать микроскопические структуры при изучении свойств разных веществ и определении того, как они сочетаются и взаимодействуют друг с другом, а также используя метод их точного взвешивания. Большая часть химических элементов была открыта в период с 1745 по 1869 год. Исследователи пользовались самыми разными методами: пробовали их на вкус, нюхали, взвешивали или просто наблюдали за разными веществами и продуктами всевозможных реакций между ними.

Например, несколько ученых, независимо работавшие в 60-е годы XVIII века, выяснили, что воздух содержит две основные компоненты, одна из которых способствует горению и делает мышей более активными и здоровыми, а вторая гасит огонь и душит мышей. В 70-е годы того же века «мышедружественный» газ, который также оказалось возможным получать путем нагревания окиси ртути, был идентифицирован как элемент кислород. Шотландский студент Даниэль Резерфорд [13] догадался, что «мышеубивающий» газ – это еще один элемент, азот, что и нашло отражение в его диссертации в 1772 году.

С помощью астрономических наблюдений было установлено, что в составе Солнца есть новый элемент, ранее на Земле не известный, выявленный благодаря особым частотам излучаемого света. Этот элемент был назван гелием в честь Гелиоса – греческого бога Солнца. Позже этот элемент был замечен в газах, испускаемых Везувием.

В 1895 году шведские химики Пер Теодор Клеве и Нильс Абрахам Ланглет отметили, что такой же газ выделяется в результате растворения некоторых минералов в кислоте, и смогли достаточно хорошо изолировать этот газ, чтобы измерить его атомную массу.

Джон Дальтон – химик, физик и метеоролог, который жил и работал в XIX веке в Манчестере, провел серию чрезвычайно точных экспериментов [14] . Эти эксперименты состояли в комбинировании, взаимодействии и взвешивании разных газов и других веществ. В результате было установлено, что некоторые материалы, вовлеченные в разные химические реакции, всегда сочетаются в некоторых фиксированных пропорциях. Предположение ученого состояло в том, что реакции взаимодействия на самом деле происходят между крошечными составляющими каждого вещества. Эти крошечные «кирпичики» обладали, по его мнению, способностью объединяться и распадаться вполне определенным способом для образования новых устойчивых «кирпичиков» уже какого-то нового вещества.

Так, двуокись углерода состоит из комбинации двух частей кислорода и одной части углерода. Вода может быть сделана из двух частей водорода и одной части кислорода. Если использовать правильное соотношение, то исходные вещества полностью превратятся в новое вещество. Если вы ошибетесь, то обнаружите какой-то остаток после процессов взаимодействия.

В 1869 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев упорядочил все известные элементы в соответствии с их химическими свойствами и поместил их в периодическую таблицу. Эта таблица представляла собой нечто гораздо большее, чем просто удобный способ перечислить элементы. Дело в том, что группировка элементов по их способности взаимодействовать с другими элементами и по их массам, как это сделал Менделеев, помогла выявить глубокую закономерность, отражающую внутреннюю структуру атомов. Более того, периодическая система Менделеева обладала предсказательной силой, т. е. могла предсказывать существование новых, еще не открытых элементов и заранее описывать их свойства: пробелы в первоначальной таблице указывали на «недостающие» элементы, которые были обнаружены позже. Эта таблица есть «стандартная модель» химии – в том смысле, что она служит истоком стандартной модели физики элементарных частиц.

Наше исследование земли Атома показало, что вещества, окружающие нас в обыденной жизни, на самом деле обладают сложной и красивой структурой, подчиняющейся определенным закономерностям. Они демонстрируют нам чрезвычайно занимательное поведение, которое хотелось бы понять лучше. Но в какую сторону бы мы ни пошли по земле Атома, кого бы мы там ни спросили – все подтвердят, что для глубокого понимания сути вещей (экономики, экологии, взаимоотношений между обитателями) мы обязательно должны вернуться морем в порт Электрон.

Позже, совершив небольшое морское путешествие назад и повторив наш прежний путь, мы снова швартуемся в порту Электрон. Мы пренебрегли уроком, данным нам лоцманом, но наш краткий визит в землю Атома показал, что нужно искать ответы здесь, в этом порту, прежде, чем углубляться в дебри земли Атома. Мы высаживаемся, надеясь избежать встречи со знакомым нам лоцманом, и рассредотачиваемся для получения дополнительной информации.

И вот что мы узнаем. Электрон – первая обнаруженная субатомная частица. Эти крошечные объекты впервые наблюдались как пучки так называемых катодных лучей – странного излучения, испускаемого металлами при нагреве. Некоторые исследователи считали, что эти лучи состоят из частиц, другие же полагали, что речь идет о распространении волн в эфире. Спустя два десятилетия после открытия этих частиц Дж. Дж. Томсон, работавший в Кембридже, в 1897 году утвердил статус электронов именно как частиц. Дело в том, что частицы имеют определенные массу и электрический заряд, из чего, в частности, следует, что отношение массы и заряда тоже имеет определенное значение. Чтобы доказать, что катодные лучи состоят из частиц, Томсон должен был показать, что отношение массы к заряду всегда одинаково, независимо от того, какой материал был использован в качестве источника катодных лучей. Положительный ответ послужил бы критерием того, что электрон – действительно частица. Первым ключевым доказательством стал тот факт, что катодные лучи отклонялись в электрическом и магнитном полях именно таким образом, как это ожидалось для пучка заряженных частиц. Ни одна волна, известная в то время, не являлась переносчиком заряда, и поэтому это могло считаться хоть и косвенным, но сильным доказательством в пользу трактовки электрона как частицы. Вторую часть доказательства Томсон получил, изучив, как ведет себя в вакууме траектория пучка катодных лучей под действием электрического и магнитного полей. Томсон смог настроить поля таким образом, что они взаимно компенсировали друг друга. Путем такого регулирования можно было получить на выходе скорость пучка [15] .

Наконец, поскольку скорость известна, магнитное поле можно отключить, и степень отклонения пучка в электрическом поле поможет определить отношение заряда к массе [16] . Как отметил Томсон, для электрона отношение заряда к массе примерно в две тысячи раз больше, чем соответствующее соотношение для иона водорода, который представляет собой одиночный протон – легчайшую частицу из известных на тот момент. Сказанное означает, что или заряд электрона сильно превышает заряд протона, или масса электрона гораздо меньше массы протона.