Поиск неделимого
Разбирая вещество на составляющие, легко представить себе последнюю частицу, которая уже ни из чего не состоит. Атом когда-то и был такой идеей. Само греческое слово означает «неделимый».
Сегодня атомами называются частицы, которые имеют внутреннее устройство. Название сохранилось, хотя представление о самом атоме изменилось.
Атомы и пустота
Античные мыслители искали общее основание за разнообразием вещей. Одни считали первоосновой воду, другие воздух; существовало и учение о четырёх стихиях. Их объединяло предположение, что множество явлений можно объяснить через немногие начала.
В V веке до нашей эры Демокрит развивает атомизм. В этой картине мир состоит из неделимых частиц и пустоты, в которой они движутся. Свойства вещей зависят от формы частиц, их порядка и взаимного расположения.
Чувства сообщают, что вещь тёплая или сладкая. Атомизм предлагает искать причину этих ощущений в устройстве вещества, которое органы чувств непосредственно не различают.
Демокрит не мог поставить опыт, который решил бы спор. У Аристотеля была другая картина: понять вещь означало понять также её форму, изменение, назначение. Эти идеи нельзя считать ранними версиями современной физики: у них были иные основания и способы обоснования.
Позднее Лукреций изложил атомистическую картину в поэме «О природе вещей». Понимание природы должно было освободить человека от страха перед богами и смертью. Знание имело для него прямое отношение к тому, как жить.
Проверять атомную теорию по результатам измерений удалось значительно позднее, с развитием химии.
От догадки к измерению
В начале XIX века Дальтон развивает атомную теорию, опираясь на количественные закономерности химии. Например, в углекислом газе на ту же массу углерода приходится вдвое больше кислорода, чем в угарном газе. Атомная гипотеза объясняет это разным числом атомов кислорода, соединённых с атомом углерода.
В 1869 году Менделеев публикует периодическую систему. Упорядочивая элементы, он замечает повторение свойств, оставляет места для ещё не открытых элементов и затем предсказывает свойства некоторых из них. Позднейшие открытия галлия, скандия и германия дают этим предсказаниям подтверждение.
В таблице оставались пустые клетки: элемента ещё не открыли, а его место и некоторые свойства уже удалось определить. Менделеевская система работала задолго до объяснения электронной структуры атома.
Что держит руку на столе
В 1897 году Томсон исследует катодные лучи и получает свидетельства существования электрона. Частицы с одинаковыми свойствами обнаруживаются независимо от материала электродов. Это указывает на общую составляющую разных атомов.
Томсон предлагает модель распределённого положительного заряда с электронами внутри. Дальнейшие опыты покажут, что заряд и масса в атоме распределены иначе.
В 1909 году Гейгер и Марсден под руководством Резерфорда изучают рассеяние альфа-частиц на тонкой фольге. Большинство проходит почти прямо, некоторые резко отклоняются. Именно редкие сильные отклонения оказались решающими: модель должна была объяснить и их. В 1911 году Резерфорд объясняет результаты сосредоточением положительного заряда и почти всей массы атома в очень маленьком ядре.
Если увеличить атом до размеров двадцатиметрового зала, диаметр ядра составит примерно от 0,2 до 2 миллиметров. Вокруг ядра находятся электроны, распределение которых описывает квантовая механика. Возникает вопрос: почему вещество с таким устройством сопротивляется сжатию?
Рука по-прежнему лежит на столе. Её удерживают электромагнитные взаимодействия и квантовые свойства вещества, в том числе принцип Паули: два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Когда атомы руки и стола сближаются слишком сильно, меняются электронные состояния и растёт энергия системы. Для дальнейшего сжатия требуется совершить работу; это и проявляется как сопротивление давлению.
Что можно узнать по свету
В 1913 году Бор вводит модель атома с определёнными разрешёнными состояниями энергии. При переходах с поглощением или испусканием света энергия фотона равна разности уровней. Позднейшая квантовая механика заменит наглядные орбиты более точным описанием; дискретные уровни энергии останутся.
Атомы разных элементов имеют характерные спектральные линии. По ним можно распознавать вещество, которое невозможно взять в руки. Свет далёкой звезды несёт сведения об атомах, с которыми он взаимодействовал. Между нами и звездой лежит огромное расстояние, а её спектр подчиняется физике, которую мы проверяем здесь.
Зачем понадобились кварки
Исследования ядра привели к открытию его составляющих. Протон несёт положительный заряд. В 1932 году Чедвик открывает нейтрон, частицу без электрического заряда с массой, близкой к массе протона. Отсутствие заряда осложняет обнаружение, но не делает нейтрон невидимым для любых опытов: его можно выявлять по взаимодействиям с веществом.
Так были найдены основные составляющие атома: электроны, протоны и нейтроны. Ускорители позволили исследовать столкновения при всё больших энергиях, и перечень частиц продолжил расти.
Многие частицы, найденные в космических лучах и на ускорителях, обладали сходными свойствами. Их количество заставляло искать классификацию и проверять, нет ли у них общего внутреннего устройства.
В 1961 году Гелл-Манн и Неэман независимо предлагают классификацию адронов. К ним относятся протон, нейтрон и многие другие частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Сопоставляя их заряды и другие квантовые характеристики, физики обнаруживают группы со сходными свойствами и места для недостающих частиц.
В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг независимо предлагают кварковую модель. Краткая запись состава протона: два верхних кварка и один нижний. Нейтрона: один верхний и два нижних. Это так называемый валентный состав. Более полное описание включает глюоны, передающие сильное взаимодействие, и кварк-антикварковые пары. Протон нельзя представить тремя неподвижными бусинами в оболочке.
не обнаружена
Кварки и электроны считаются элементарными частицами: эксперименты пока не обнаружили у них внутренней структуры. Их поведение, однако, не похоже на поведение маленьких твёрдых предметов.
Частицы и поля
В квантовой теории поля частицы описываются как возбуждения полей. Фотон, частица света, представляет собой возбуждение электромагнитного поля; электрон описывается через электронное поле. Теория позволяет рассчитывать, например, вероятности рождения определённых частиц при столкновениях.
Энергию, импульс и другие характеристики такого возбуждения можно измерять. В общем случае теория предсказывает вероятности возможных результатов. Точность описания проверяют по тому, насколько результаты расчётов совпадают с измерениями.
Электроны имеют одинаковые внутренние свойства. Квантовая механика не снабжает их личными метками, по которым можно было бы различать их как два внешне одинаковых камня. Они могут находиться в разных состояниях, но перестановка меток одинаковых частиц не создаёт новой физической ситуации.
При достаточной энергии в столкновениях могут рождаться новые частицы. Нестабильные частицы могут самопроизвольно распадаться на другие. Во всех этих процессах действуют законы сохранения.
Что можно узнать по составу
Чтобы понять, почему рука удерживается на столе, нам понадобились сведения о взаимодействиях и квантовых состояниях.
Алмаз и графит состоят из углерода. В алмазе атомы образуют прочную пространственную решётку, в графите соединены в слои. Отсюда различие свойств: алмаз чрезвычайно твёрдый, графит мягкий.
С человеком задача сложнее. Чтобы понять, как мы узнаём знакомый голос и его интонации, приходится исследовать слух, память, обучение и опыт общения.
Близкий человек произносит ваше имя. Знакомая интонация может напомнить давний разговор, который вы оба помните. В услышанном есть и эти несколько звуков, и ваша общая история.
