Квант - Джим Аль-Халили

множителях значения постоянной Планка) и принадлежат к классу частиц, называемых фермионами. Фотоны принадлежат к другому классу частиц, называемых бозонами, спин которых равняется целому числу постоянных Планка. Между фермионами и бозонами существует фундаментальное и очень важное различие, которое объясняется в статье «Принцип исключения Паули на с. 184.

Внутрь ядра

Через несколько лет после открытия атомного ядра Резерфорд провел эксперимент, в котором он подверг атомы азота бомбардировке альфа-частицами. Он обнаружил, что в результате ядра водорода вылетают из ядер азота. Эти ядра содержали мельчайшую единицу положительного электрического заряда, равную и противоположную заряду электрона. Он назвал эти ядра водорода протонами и возродил старую идею английского химика. В 1815 году Уильям Праут предположил, что атомы всех элементов представляют собой скопления атомов самого легкого – водорода. Резерфорд выдвинул гипотезу, что это, возможно, не так уж далеко от правды. Что, если на самом деле это была характеристика атомных ядер? Может, ядра разных элементов представляют собой лишь скопления ядер водорода – то есть отдельных протонов? В таком случае ядро гелия должно было содержать два протона, ядро лития – три и так далее по таблице Менделеева.

Но этим дело не ограничивалось. Так как протоны содержали ту же величину электрического заряда, что и электроны, в ядрах должно было содержаться столько же протонов, сколько электронов вращалось вокруг них (чтобы обеспечить электрическую нейтральность атомов). Но ядра казались гораздо тяжелее суммы составляющих их протонов. Если бы вы не знали ответ на этот вопрос, что бы вы предположили?

В течение 1920-х годов ученые предложили своего рода хитрый фокус. Может, ядра состоят из протонов и электронов – само собой, не тех, что вращаются вокруг них по орбитам? Общее число протонов тогда должно было давать требуемую массу (о вкладе очень легких электронов здесь можно забыть), а электронов должно было быть ровно столько, чтобы они нейтрализовали положительный заряд избыточных протонов.

К несчастью, эта идея оказалась неправильной. И снова квантовая механика сумела указать верное направление. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что заключение электрона в крошечный объем ядра подразумевает точное знание его положения. Это означает, что его импульс будет слишком переменчивым, чтобы сила притяжения протонов сумела надолго удержать электрон на одном месте. Электроны просто не могут быть заключены внутри ядра.

Принцип неопределенности не проявляет фаворитизма по отношению к протонам, давая им честь жить внутри атомного ядра. Просто их гораздо большая масса предполагает, что они двигаются медленнее, чем электроны с такой же величиной импульса, а потому колебания их импульса не дают достаточно больших колебаний их движения[50].

Проблема была решена в 1932 году, когда Джеймс Чедвик открыл совершенно новую частицу, которую назвали нейтроном. Она обладала примерно такой же массой, как протон, но не имела электрического заряда. Затем Гейзенберг предположил, что атомные ядра, вероятно, целиком состоят из протонов и нейтронов, и все вдруг встало на свои места.

Что дальше? Очевидно, должен был существовать новый тип силы притяжения, которая держала бы протоны и нейтроны вместе в пределах ядра. С такой силой физика прежде не сталкивалась. Взаимное электрическое отталкивание протонов и притяжение противоположно заряженных протонов и электронов представляет собой форму хорошо известной электромагнитной силы[51]. Именно она вместе с силой притяжения прямо или косвенно вызывает практически все природные явления. Все материалы удерживаются вместе посредством электромагнитных сил, действующих между атомами. В более крупном масштабе нашу Вселенную удерживает вместе гравитационная сила.

Принцип исключения Паули

Один из величайших химиков всех времен, родившийся в Сибири Дмитрий Менделеев, который был самым младшим в семье, где было, по разным данным, от четырнадцати до семнадцати детей, в конце 1860-х годов изобрел теперь уже знакомую всем периодическую таблицу элементов. В ней он сумел сгруппировать все элементы со сходными химическими свойствами по семействам. Однако принцип формирования этих семейств оставался загадкой более полувека, пока австрийский вундеркинд Вольфганг Паули не предложил свой знаменитый «принцип исключения».

Паули объяснил, что элементы обладают различными химическими свойствами в зависимости от того, как именно их электроны располагаются на различных квантовых орбитах, или оболочках. Каждый электрон описывается квантовыми числами, присвоенными его волновой функции. Это определяет значения его проквантованной энергии, момента импульса и спина. Паули заметил, что ни одна пара электронов в одном атоме не может обладать одинаковыми квантовыми числами. Как только конкретное квантовое состояние оказывается «занятым», остальным электронам приходится искать себе другое место.

Принцип исключения также объясняет, почему электроны не падают на ядро, а следовательно, и как материя существует в своей форме.

Таким образом подчеркнутая Бором проблема получила объяснение. Очевидно, что, если бы все электроны атома падали на низший энергетический уровень, все элементы обладали бы одинаковыми химическими свойствами. Свойства элемента определяются не общим числом электронов в атомах, а тем, как расположены их внешние электроны. Электроны последовательно заполняют «оболочки», причем каждая из оболочек содержит конкретное количество электронов, которое обуславливают определенные законы, использующие квантовые числа. Как только оболочка заполняется, следующему электрону приходится перемещаться на следующий энергетический уровень. Внешние (валентные) электроны сообщают нам, как атомы связываются друг с другом и формируют, казалось бы, бесконечное число химических веществ, встречающихся в природе, а также объясняют многие физические свойства этих атомов – например, почему определенные материалы лучше других проводят тепло и электричество.

Частицы, такие как электроны, протоны и нейтроны, которые все вместе называют фермионами, подчиняются принципу исключения Паули. Другой класс частиц, бозоны, не подчиняются ему. Фотоны, к примеру, не стесняются занимать одно и то же квантовое состояние и даже предпочитают поступать именно так. Здесь часто приводится такая аналогия: фермионы сравниваются со слушателями концерта классической музыки, которые сидят на своих местах, идущих друг за другом рядами, а бозоны сравниваются со зрителями рок-концерта, которые все как один хотят пробиться как можно ближе к сцене.

Однако глубоко в ядре атома действует сила другого типа. В 1935 году японский физик Хидэки Юкава предложил объяснение этой ядерной силы, которое в итоге принесло ему Нобелевскую премию. Для этого он оттолкнулся от идеи, которая впоследствии стала одним из основных ингредиентов в сфере физики частиц, а именно от идеи об обменной частице. Чтобы объяснить, что это такое, мне придется прибегнуть к двум уже знакомым концепциям: принципу неопределенности Гейзенберга и уравнению Эйнштейна Е=mc2.

Создание частиц из воздуха

Не забывайте, что принцип неопределенности в общем виде представляет собой утверждение, что мы не можем присвоить точные значения двум комплементарным величинам, таким как положение и импульс частицы, одновременно. Это