Можно сказать, что вся суть химии – в электронах. В ядре содержится основная масса атома, однако само ядро обычно ни в чем не участвует, не считая редких актов радиоактивного распада, реакций деления ядра или термоядерного синтеза. С другой стороны, электроны, вращающиеся вокруг ядра, – легкие и прыгучие, и именно благодаря тому, что им не сидится на месте, жизнь наша получается такой интересной. Два или более атомов могут делиться электронами, что приводит к образованию химических связей. Если правильно подобрать условия, то электрон может «передумать», в каком атоме ему находиться, – и в таких случаях происходят химические реакции. Электрон может даже вообще вырваться из заточения в атоме, пустившись в свободный полет в окружающей среде, – так возникает явление под названием «электричество». Если же встряхнуть электрон, то он инициирует вибрацию в окружающих электрических и магнитных полях, порождая таким образом свет и другие формы электромагнитного излучения.
Чтобы подчеркнуть идею о том, что частица это действительно точечный, а не просто крайне малый объект с ненулевым размером, проводится различие между «элементарными» частицами, находящимися в конкретных точках пространства, и «составными», которые на самом деле образуются из еще более мелких составляющих. Насколько известно в настоящее время, электроны – это подлинно элементарные частицы. Теперь понятно, почему в дискуссиях о квантовой механике постоянно говорят об электронах и приводят их в качестве примеров: это простейшие фундаментальные частицы, которые можно получить, а затем манипулировать ими, и они же играют центральную роль в поведении всей материи, из которой состоим и мы, и все, что нас окружает.
К огорчению Демокрита и его друзей, физики XIX века объясняли мир в терминах не одних только частиц. Вместо этого они предположили, что нужны две фундаментальные разновидности материи: частицы и поля.
Можно считать, что поля противоположны частицам, как минимум в контексте классической механики. Определяющее свойство частицы заключается в том, что она расположена в конкретной точке пространства и нигде более. Определяющее свойство поля заключается в том, что оно находится повсюду. Поле – это сущность, обладающая некоторым значением практически в любой точке пространства. Частицам нужно как-то взаимодействовать друг с другом, и это происходит благодаря воздействию полей.
Рассмотрим магнитное поле. Оно является векторным, то есть в любой точке пространства оно подобно маленькой стрелке с некоторой длиной (которая характеризует напряженность поля: она может быть больше или меньше, или даже точно равна нулю), а также направлением (стрелка направлена вдоль некоторой конкретной оси). Можно измерить, в каком направлении ориентировано магнитное поле – для этого достаточно взять обычный компас и посмотреть, куда указывает его стрелка. (В большинстве мест на Земле она будет указывать примерно на север, если, конечно, поблизости нет другого магнита.) В данном случае важнее всего то, что магнитное поле незримо пронизывает все пространство, даже когда мы его не наблюдаем. То же касается и всех прочих полей.
Еще существует электрическое поле, также являющееся векторным и обладающее величиной и направлением в любой точке пространства. Если магнитное поле можно зафиксировать с помощью компаса, то, чтобы обнаружить электрическое поле, нужно взять электрон в состоянии покоя и посмотреть, будет ли он ускоряться. Чем больше будет его ускорение, тем сильнее электрическое поле[7]. Одним из триумфов физики XIX века стало объединение электричества и магнетизма в рамках единой теории, сформулированной Джеймсом Клерком Максвеллом. Он показал, что электрические и магнитные поля – это различные проявления единого электромагнитного поля.
Гравитационное поле – это еще один хорошо известный в XIX веке вид. Как учит нас Исаак Ньютон, гравитация действует даже на астрономических расстояниях. Планеты Солнечной системы испытывают гравитационное притяжение со стороны Солнца. Эта сила прямо пропорциональна массе Солнца и обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. В 1783 году Пьер-Симон Лаплас показал, что ньютоновскую гравитацию можно описать как действие потенциального гравитационного поля, которое имеет определенное значение в каждой точке пространства (так же как электрические и магнитные поля).
К концу XIX века перед физиками появились четкие очертания теории, полностью описывавшей мир. Материя сделана из атомов, которые состоят из более мелких частиц; эти частицы взаимодействуют благодаря различным силам, передающимся через поля, и все это происходит по законам классической механики.
Из чего состоит мир (версия XIX века)
• Частицы (точечные, из них состоит материя).
• Поля (пронизывающие пространство, порождающие взаимодействия).
В течение XX века были обнаружены новые частицы и поля, но в 1899 году были все основания полагать, что базовая картина мира уже предельно понятна. Прямо за углом таилась квантовая революция, но о ней еще никто не подозревал.
Если вы уже что-то читали о квантовой механике, то, возможно, задавались вопросом: «Электрон – это частица или волна?» Ответ таков: «Это волна, но когда мы смотрим на нее (то есть измеряем эту волну), она выглядит как частица». В этом заключается фундаментальная новизна квантовой механики. Существует всего одна сущность – квантовая волновая функция, но когда мы наблюдаем ее в определенных условиях, она кажется нам частицей.
Из чего состоит мир (версия XX века и далее)
• Квантовая волновая функция.
Чтобы перейти от картины мира в представлении конца XIX века (классические частицы и классические поля) к синтезу, полученному в XX веке (единая квантовая волновая функция), необходимо было совершить несколько концептуальных прорывов. История о том, как частицы и поля оказались разными аспектами одной и той же базовой сущности, – одно из самых недооцененных свершений на пути к унификации физики.
Чтобы прийти к этому, ученые начала XX века должны были осознать две вещи: поля (например, электромагнитное) могут проявлять свойства частиц, а частицы (например, электроны) могут иметь волновые свойства.
Сначала было замечено, что поля могут проявлять свойства частиц. Любая частица, обладающая электрическим зарядом, например электрон, повсюду вокруг себя создает электрическое поле. Напряженность поля постепенно снижается по мере удаления от заряда. Если встряхнуть электрон, например в направлении вверх-вниз, то поле будет колебаться вместе с ним, образую своеобразную рябь, которая будет постепенно распространяться во все стороны. Это и есть электромагнитное излучение – «свет», если коротко. Всякий раз, нагрев вещество до нужной температуры, мы устраиваем в его атомах встряску электронам, и вещество начинает светиться. Такое явление называется излучением абсолютно черного тела, и любой объект, равномерно нагретый до определенной температуры, «испускает» ее в форме излучения абсолютно черного тела.
Красный свет соответствует медленно колеблющимся низкочастотным волнам, а синий – стремительно колеблющимся высокочастотным. Учитывая, что было известно физикам об атомах и электронах на рубеже XIX–XX веков, можно было вычислить, сколько излучения должно выдавать абсолютно черное тело на любой конкретной частоте – в так называемом спектре абсолютно черного тела. Расчеты физиков хорошо подтверждались на низких частотах, но становились все менее точными по мере перехода к более высоким; в конечном итоге прогнозы давали бесконечное количество излучения, которое должно испускать любое материальное тело. Позже такой феномен окрестили ультрафиолетовой катастрофой, имея в виду невидимые частоты электромагнитного излучения, даже более высокие, чем у синего и фиолетового света.
Наконец, в 1900 году немецкому физику Максу Планку удалось вывести формулу, которая точно согласовывалась с данными. Здесь важно отметить, какой прием помог Планку: он выдвинул радикальную идею, предположив, что при излучении свет всегда поступает в виде небольших порций – «квантов» энергии, величина которых определяется частотой света. Чем быстрее колеблется электромагнитное поле, тем больше энергии будет у каждого излученного кванта.
Во время работы над этой теорией Планку пришлось постулировать существование новой фундаментальной естественной константы, которая теперь известна под названием «постоянная Планка» и обозначается буквой h. Количество энергии, содержащейся в кванте света, пропорционально его частоте, и постоянная Планка задает эту пропорциональность: энергия равна частоте, умноженной на h. Зачастую более удобно использовать усовершенствованную разновидность этой константы, ħ, которая называется «приведенная постоянная Планка», – это попросту исходная постоянная Планка h, деленная на 2π. Если в выражении фигурирует постоянная Планка – это верный признак, что в нем задействована квантовая механика.
Открыв свою постоянную, Планк подсказал новый способ понимания таких физических величин, как энергия, масса, длина или время. Например, существуют единицы для измерения энергии – эрги, джоули или киловатт-часы, а частота измеряется в единицах 1/время, поскольку сообщает, сколько раз происходит то или иное событие за единицу времени. Соответственно, чтобы энергия получилась пропорциональной времени, постоянная Планка выражается в единицах, равных произведению энергии на время. Сам Планк осознал, что эту новую величину можно комбинировать с другими фундаментальными константами – G (ньютоновской гравитационной постоянной) и c – скоростью света, получая, таким образом, универсально определяемые единицы длины, времени и так далее. Планковская длина равна приблизительно 10–33 сантиметрам, а планковское время – приблизительно 10