Впервые природа атомов была понята в Кембриджском университете в Англии в 1880-1920-х годах – отчасти путем бомбардировки одних атомов фрагментами других и наблюдения за результатами. Обычный атом окружен снаружи облаком электронов. Как подсказывает их название, электроны несут электрический заряд. Более или менее произвольно этот заряд стали считать отрицательным. Электроны определяют химические свойства атома: блеск золота, холод железа, кристаллическую структуру алмаза. Глубоко внутри атома, тщательно укрытое электронным облаком, расположено ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Атомы очень малы – сто миллионов штук, выложенные в ряд, займут не больше кончика вашего мизинца. Но ядра еще в сто тысяч раз меньше, и в основном поэтому для их открытия понадобилось столько времени [157]. Как бы то ни было, большая часть массы атома сосредоточена в его ядре; по сравнению с ядром электроны – это просто облако подвижного пуха. Атомы по большей части пустое пространство. Материя построена в основном из пустоты.
Я состою из атомов. Мои локти, опирающиеся на стол, тоже состоят из атомов. И сам стол состоит из атомов. Но если атомы такие маленькие и пустые, а их ядра еще меньше, то почему стол удерживает меня? Почему, как любил спрашивать Артур Эддингтон [158], ядра, сосредоточенные в моем локте, не проскользнут без всякого усилия мимо ядер, находящихся в столе? Почему я не оказываюсь на полу? Почему не проваливаюсь сквозь землю?
Все дело в электронных облаках. Снаружи атомы моего локтя имеют отрицательный электрический заряд. То же самое относится и к атомам стола. Но отрицательные заряды отталкиваются. Мои локти не проскальзывают сквозь стол потому, что ядра атомов окружены электронами, и потому, что электрическое взаимодействие достаточно сильное. Наша повседневная жизнь зависит от строения атома. Стоит убрать электрические заряды, и все рассыплется в тончайшую, невидимую пыль. Без электрического взаимодействия в мире не стало бы предметов– только диффузные облака электронов, протонов и нейтронов да гравитирующие шары из элементарных частиц – безликие останки миров.
Мысленно продолжая разрезать яблочный пирог на части меньше атома, мы сталкиваемся с бесконечно малым. Устремляя взгляд в ночное небо, мы сталкиваемся с бесконечно большим. Эти бесконечности представляют собой неограниченное повторение, длящееся не просто долго, но вечно. Если встать между двумя зеркалами, например в парикмахерской, видишь множество собственных изображений, каждое – отражение другого. Вы не сможете увидеть бесконечное число отражений, потому что зеркала не идеально плоские и не строго параллельны друг другу; потому, что свет распространяется не бесконечно быстро; а еще потому, что вы сами находитесь на его пути. Когда мы говорим о бесконечности, то имеем в виду количество, которое превосходит любое наперед заданное число, независимо от того, насколько оно велико.
Американский математик Эдвард Кейснер однажды попросил своего девятилетнего племянника придумать название для одного чрезвычайно большого числа – десять в сотой степени (10 100), единицы, за которой следует сто нулей. Мальчик назвал его «гугол» (googol). Вот оно: 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Вы тоже можете придумать свои собственные очень большие числа и назвать их какими-нибудь странными именами. Попробуйте. В этом занятии есть определенная привлекательность, особенно если вам девять лет.
Если гугол кажется вам большим числом, то что вы скажете про гуголплекс? Это десять в степени гугол, то есть единица, за которой следует гугол нулей. Для сравнения: общее количество атомов в вашем теле – около10 28, а полное количество элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов) в наблюдаемой части Вселенной – примерно 10 80. Если бы Вселенная была плотно набита [159]нейтронами, так, чтобы нигде в ней не оставалось пустого места, то она вместила бы всего 10 128частиц – лишь немногим больше гугола, но ничтожно мало по сравнению с гуголплексом. Но даже такие числа, как гугол и гуголплекс, не позволяют приблизиться к идее бесконечности. По сравнению с ней они бесконечно малы. Гуголплекс столь же далек от бесконечности, как и единица. Мы можем попробовать записать гуголплекс на бумаге, однако это будет безнадежная попытка. Лист бумаги, достаточный для выписывания всех нулей гуголплекса, не поместился бы в известной нам Вселенной. К счастью, есть более простой и очень короткий способ записи гуголплекса: 10 10^10– и даже для бесконечности: [∞].
В подгоревшем яблочном пироге пригар состоит в основном из углерода. Девяносто разрезов – и вы получаете атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами в ядре и шестью электронами во внешнем облаке. Если мы извлечем из него кусочек ядра, состоящий, например, из двух протонов и двух нейтронов, то это будет уже не ядро углерода, а ядро атома гелия. Подобный распад, или деление, атомных ядер (хотя и не распад ядер углерода) происходит в ядерном оружии и в обычных атомных электростанциях. Если вы сделаете девяносто первый разрез яблочного пирога и разделите при этом ядро углерода, то получите не два маленьких кусочка углерода, а нечто иное – атом с совершенно другими химическими свойствами. Разрезая атом, вы осуществляете трансмутацию элементов.
Но предположим, что мы пошли дальше. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Можем ли мы разрезать протон? Бомбардируя протоны другими элементарными частицами высоких энергий, например другими протонами, мы начинаем замечать, что внутри скрываются еще более фундаментальные составляющие. Физики предполагают, что так называемые элементарные частицы вроде протонов и нейтронов на самом деле состоят из еще более элементарных частиц – кварков, которые обладают различными «цветами» и «ароматами», как окрестили их свойства в попытке сделать субъядерный мир хотя бы немного более своим, домашним. Являются ли кварки самыми фундаментальными составляющими материи, или они тоже состоят из еще меньших, еще болееэлементарных частиц? Достигнем ли мы когда-нибудь окончательного понимания природы материи, или существует бесконечная лестница все более и более фундаментальных частиц? Это одна из величайших неразрешенных проблем науки.
В средневековых лабораториях алхимики пытались осуществить трансмутацию элементов. Многие из них верили, что вся материя состоит из четырех субстанций: воды, воздуха, земли и огня, – такова была древне-ионийская умозрительная гипотеза. Изменяя пропорции, например соотношение земли и огня, рассуждали они, вы должны добиться превращения, скажем, меди в золото. На этом поприще подвизалось множество обаятельных плутов и мошенников, вроде Калиостро и графа Сен-Жермена, которые заявляли, что владеют не только тайной трансмутации элементов, но также рецептом бессмертия. Иногда золото прятали внутри волшебной палочки с «двойным дном», и оно чудесным образом появлялось в тигле в конце сложной экспериментальной демонстрации. Заглотив приманку богатства и бессмертия, европейская знать жертвовала изрядные суммы деятелям, практикующим это сомнительное искусство. Однако существовали и более серьезные алхимики, такие как Парацельс [160]и даже Исаак Ньютон. А значит, не все деньги потеряны зря – были открыты новые химические элементы, например фосфор, сурьма и ртуть. Фактически современная химия берет начало именно от этих экспериментов.
В природе встречается 92 вида химически различимых атомов. Они называются химическими элементами, и до недавнего времени все на нашей планете состояло из них. В большинстве своем встречаются они в составе молекул. Вода – это молекула, образованная атомами водорода и кислорода. Воздух в основном состоит из атомов азота (N), кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и аргона (Аr) в форме молекул N 2, O 2, СO 2, Н 2O и Аr. Сама Земля представляет собой очень богатую смесь атомов, преимущественно кремния, кислорода, алюминия, магния и железа. Огонь вообще не состоит из химических элементов. Это излучающая плазма; в которой высокая температура отрывает некоторые электроны от их ядер. Ни один из четырех древнеионийских и алхимических «элементов» не является элементом в современном понимании: один из них представлен молекулой, два других – смесью молекул, четвертый – плазмой.
157
Первоначально считалось, что протоны равномерно распределены по всему электронному облаку, а не сконцентрированы в положительно заряженном ядре, центре атома. Ядро было открыто в Кембридже Эрнестом Резерфордом, когда он заметил, что некоторые бомбардирующие частицы отскакивают в направлении, обратном тому, откуда они прилетели. Резерфорд признавался: «Это было самое невероятное событие, которое случилось со мной за всю мою жизнь. Оно казалось столь же немыслимым, как если бы вы стреляли из 15-дюймового артиллерийского орудия в тонкую бумажную салфетку, а снаряд отскочил бы от нее и попал в вас». – Авт.
158
Эддингтон(Eddington), Артур Стенли (1882-1944) – английский астрофизик. Автор трудов по внутреннему строению и эволюции звезд, теории относительности, релятивистской космологии. Экспериментально подтвердил (1919) отклонение светового луча в поле тяготения Солнца, предсказанное общей теорией относительности. – Ред.
159
Идея подобных вычислений очень стара. Вот как начинается книга Архимеда «О числе песчинок»: «Некоторые думают, о царь Гедон, что количество песка бесконечно в своей множественности. Я имею в виду не только тот песок, что можно найти вокруг Сиракуз и на всей остальной Сицилии, но также тот, что можно найти в любом другом месте, населенном или необитаемом. И опять же есть такие, кто хоть и не считает его бесконечным, все же думает, что нельзя назвать число, которое было бы достаточно велико, чтобы выразить его множественность». Затем Архимед не только называет такое число, но и определяет его значение. Далее он спрашивает, сколько крупинок песка, плотно уложенных одна к другой, поместится в известной ему Вселенной. Оценка Архимеда составляет 10 63, что соответствует примерно 10 83атомов – забавное совпадение с современной оценкой. – Авт.
160
Парацельс(Paracelsus) (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, 1493-1541) – врач и естествоиспытатель, один из основателей ятрохимии, которая рассматривала происходящие в организме процессы как химические явления, а болезни – как результат нарушения химического равновесия. Способствовал внедрению химических препаратов в медицину. – Ред.